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Autor(en)TitelZeitschriftAusgabeSeiteRubrik
Dissauer, J.; Präsent, G.; Schwab, P.Bruck expressway S35 contract 22 - Tunnelling through serpentinite / Brucker Schnellstraße S35 Baulos 22 - Vortriebe im SerpentinitGeomechanics and Tunnelling5/2009483-493Topics

Kurzfassung

The main part of the about 7 km long Brucker Expressway S35 contract BL 22 consists of the two-bore Kaltenbach (1,100 m) and Kirchdorf (2,700) tunnels. The special feature was the sections through serpentinite, which extends right across the southern section of the Kirchdorf tunnel. Tunnelling through this rock containing asbestos was a novelty for all parties involved, particularly considering that there was almost no experience available from tunnel sites where white asbestos had been encountered. The main emphasis during the work was to avoid dust in the tunnel. The specified measures were unsuitable for a low-dust drive, because the heaped material could only be wetted on the outside. Only a revised concept with the loose material being mixed during loading produced the desired results in reducing dust. In addition, the dust was cleaned out of the air in the tunnel after each blasting round by water mist produced by snow cannons. At the same time, the air was exchanged through positive pressure and supporting extract ventilation, with the extracted air being passed through special asbestos filters. A lock system at the portal also prevented the escape of asbestos fibres to the outside world. The vehicles in the tunnel were cleaned with a tyre-washing plant and a washing beam. Water-mist curtains at the portal formed the separation to the open air. All workers in the asbestos-contaminated “black area” were provided with one-use protection suits and dust masks, which they had to give up for disposal at the lock when leaving the tunnel. The experience gained should serve as the basis for similar projects in the future.

Das Kernstück des etwa 7 km langen Bauloses Brucker Schnellstraße S35 BL 22 besteht aus den zweiröhrigen Tunneln Kaltenbach (1.100 m) und Tunnel Kirchdorf (2.700). Besonderheit waren die Serpentinitstrecken, die sich quer über den Tunnel Kirchdorf im Südbereich strecken. Die Durchörterung von asbesthaltigem Gebirge stellte für alle Projektbeteiligten ein Novum dar, zumal es praktisch keine Erfahrungswerte von Tunnelbaustellen gab, wo Weißasbest im Gestein vorkam. Hauptaugenmerk beim Vortrieb galt der Staubvermeidung im Tunnel. Die ausgeschriebenen Maßnahmen waren für einen staubarmen Vortrieb ungeeignet sind, da das Haufwerk lediglich oberflächlich mit Wasser benetzt werden konnte. Erst ein überarbeitetes Schutterkonzept, das eine Zwangsmischung beim Ladevorgang vorsah, konnte die gewünschten Resultate bei der Staubverhinderung bringen. Zusätzlich wurde ergänzend nach jeder Sprengung die Tunnelluft mittels Sprühnebel, der von Schneekanonen produziert wurde, von Staub gereinigt. Gleichzeitig erfolgte ein Luftaustausch mit drückender und unterstützender saugender Bewetterung, wobei die abgesaugte Luft über eigene Asbestfilter gereinigt wurde. Ein Schleusensystem im Portalbereich verhinderte zusätzlich die Verschleppung von Asbestfasern in die Außenwelt. Deshalb wurden noch im Tunnelinneren die Fahrzeuge auf einer Reifenwaschanlage und einem Waschbalken gereinigt. Nebelbögen im Portalbereich bildeten die Trennung zur Außenluft. Sämtliche Mitarbeiter mussten im asbestkontaminierten “Schwarzbereich” mit Einwegschutzanzügen und Staubmasken ausgestattet sein, die sie beim Verlassen des Tunnels in der Personenschleuse zur Entsorgung ablegen mussten. Die gemachten Erfahrungen sollen als Grundlage für zukünftige, ähnlich gelagerte Projekte dienen.

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Gamper, C.; Knapp, M.; Fiest, T.Jenbach Tunnel - a shallow hydroshield drive / Tunnel Jenbach - oberflächennaher HydroschildvortriebGeomechanics and Tunnelling5/2009494-501Topics

Kurzfassung

The joint venture “Arge Tunnel Jenbach” consisting of the firms Strabag, Züblin and Hochtief was awarded the Jenbach Tunnel contract H8 in summer 2006. This contract section is part of the northern approach to the Brenner Base Tunnel and belongs to the trans-European TEN1 axis Berlin-Palermo. The main part of the contract is a 3,470 m long two-track tunnel with an excavated diameter of 13 m and an excavated cross-section of 133 m2, which was driven with a hydroshield. Tunnelling started in October 2007, with breakthrough in April 2009. The particular features of this tunnel are the very shallow overburden and the alignment.
Another part of the project was the construction of seven rescue shafts and their connection to the main tunnel. Six of these connecting tunnels pass through loose ground and groundwater and were constructed with a jacked pipe of external diameter 4.8 m. Also part of the project were a cut-and-cover tunnel with a length of 230 m, a ramp structure as groundwater trough with a length of 610 m and the construction of the link to the existing tracks with a length of 870 m.

Die Arbeitsgemeinschaft Arge Tunnel Jenbach bestehend aus den Firmen Strabag, Züblin und Hochtief hat im Sommer 2006 den Auftrag für das Baulos H8 Tunnel Jenbach erhalten. Dieses Baulos ist ein Teil der Zulaufstrecke Nord zum Brennerbasistunnel und gehört zur transeuropäischen TEN1 Achse Berlin-Palermo. Der Hauptteil des Bauloses ist ein 3.470 m langer zweigleisiger Tunnel mit einem Durchmesser von 13 m und einem Ausbruchquerschnitt von 133 m2, der mit einem Hydroschild aufgefahren wurde. Vortriebsbeginn war im Oktober 2007, der Durchschlag erfolgte im April 2009. Die Besonderheiten des Tunnels waren seine oberflächennahe Trassierung und die Linienführung.
Weiterer Bestandteil des Bauvorhabens ist die Herstellung von sieben Rettungsschächten und deren Verbindung zum Haupttunnel. Sechs dieser Verbindungsstollen liegen im Lockermaterial und Grundwasser und wurden im Rohrvorpressverfahren mit einem Außendurchmesser von 4,8 m aufgefahren. Zusätzliche Bestandteile des Bauvorhabens sind ein Tunnel in offener Bauweise mit einer Länge von 230 m, ein Rampenbauwerk als Grundwasserwanne mit einer Länge von 610 m und die Herstellung der Verknüpfungsstelle mit den Bestandgleisen mit einer Länge von 870 m.

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Westermayr, H.; Höllrigl, M.; Daller, J.; Mihaylov, V.Construction of the second bore of the Pfaender tunnel / Bau der zweiten Röhre des PfändertunnelsGeomechanics and Tunnelling5/2009502-512Topics

Kurzfassung

The Pfaendertunnel bypasses the residential area of the city of Bregenz at the northern part of the A14 Rheintal motorway. The alignment of the 2nd bore of the Pfaendertunnel runs for over 6.5 km under the Pfaender mountain-massif, 70 m west of the existing bore. The route runs through geology described as the “Standing midland molasse”, a sequence of beds from the Neogene period (young Tertiary), which today mostly consisting of conglomerate, sandstones, marl-sandstones, marl and clay-marl. The second bore will be excavated continuously by a shielded tunnel boring machine, opening from the north starter-tunnel to the existing bore at the south. The standard cross-section of the tunnel will be circular (bored diameter 11.92 m) with external diameter 11.62 m segmental concrete lining. The paper deals with the main issues related to the design of the alternative TBM tunnelling-tender taking into account the swelling tendency of the rock mass and also deals with the construction-issues of the first road tunnel in Austria being built by the use of a TBM. During initial TBM-drive in the starter-tunnel the machine sagged into loose ground.. The problem of driving a TBM into divided cross sections (bench and invert sections without top-heading) into soft ground and the solution adopted on site is discussed.

Der Pfändertunnel stellt, als nördlichster Teil der A14 Rheintal Autobahn, die Umfahrung des Siedlungsraums Bregenz dar. Die Achse der zweiten Röhre des Pfändertunnels erstreckt sich über 6,5 km unterhalb des Pfändermassives, 70 m westlich der Bestandsröhre. Die Trasse durchfährt die so genannte aufgerichtete mittelländische Molasse, eine Schichtfolge des Neogen (Jungtertiär) die heute als Konglomerate, Sandsteine, Mergelsandsteine, Mergel und Tonmergel vorliegt. Der Ausbruch der zweiten Röhre wird im kontinuierlichen Vortrieb, beginnend bei der Startstrecke Nord bis zur Bestandsröhre im Süden, mit einer Tunnelbohrmaschine mit Schild aufgefahren. Als Regelquerschnitt des Tunnelbauwerks wird ein Kreisquerschnitt mit Tübbingausbau mit einem Außendurchmesser von 11,62 m (Bohrdurchmesser 11,92 m) ausgeführt. Der Beitrag behandelt die Planungsschwerpunkte in Bezug auf das Alternativangebot TVM-Vortrieb unter Berücksichtigung der Quellproblematik des Gebirges sowie die Bauausführung des ersten Straßentunnels mittels einer TVM in Österreich. Beim Einfahren in die Startstrecke Nord kam es zum Absinken der TVM im Lockermaterial. Die Einfahrtsproblematik im Lockermaterial bei einem halb aufzufahrenden Querschnitt (Strosse und Sohle) und die gewählten Lösungen werden erläutert.

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Czopak, K.; Neumüller, E.Contract LT33 Hofjagdstrasse - the central section of the Lainzer Tunnel / Baulos LT33 Hofjagdstraße - der Mittelabschnitt des Lainzer TunnelsGeomechanics and Tunnelling5/2009513-520Topics

Kurzfassung

The 3,500 m long section is part of the new railway line and was tunnelled in accordance with the New Austrian Tunnelling Method. There are five emergency exits in the section. Four emergency exits lead along a branch tunnel and a shaft into the open air and the one in the Lainzer Zoo leads directly to the open air as an adit. The two-track running tunnel and the crosscuts were driven from the shaft in Hofjagdstrasse next to the B1. Only absolutely essential works for the construction of the emergency exit shafts were carried out on the surface. The tunnel drive was through flysch rocks consisting of seasonal layers of marl, limestone and claystone and was excavated by hydraulic excavator loosened by blasting. In the sections under built-up areas, great emphasis was placed on the continuous monitoring of rock mass deformation and surface settlements. The continuous monitoring of vibration measurements and noise emissions caused by tunnelling was also of great importance and determined the sequence of work underground. After completion of the tunnelling work, the concrete works were carried out using two mobile steel formwork units. The internal works to the emergency shafts were carried out in parallel, so that the contract section can be handed over for the subsequent equipment and track works from the middle of 2010.

Der 3.500 m lange Abschnitt ist ein Teil der neu errichteten Eisenbahnstrecke und wurde in geschlossener Bauweise nach der Neuen Österreichischen Tunnelbauweise aufgefahren. In diesem Streckenabschnitt sind fünf Notausstiege situiert. Vier Notausstiege führen über einen abzweigenden Stollen mit einem Schacht ins Freie, ein Notausstieg im Lainzer Tiergarten führt als Stollen direkt an die Oberfläche. Der Vortrieb des zweigleisigen Tunnels und der Stollen wurde über den Schacht Hofjagdstraße neben der B1 aufgefahren. An der Oberfläche wurden nur die notwendigsten Arbeiten für die Herstellung der Notausstiegsschächte durchgeführt. Der Vortrieb erfolgte in Flyschgesteinen aus einer Wechselfolge von Mergel, Kalk und Tonsteinen als Baggervortrieb unter zu Hilfenahme von Lockerungssprengungen. In Streckenabschnitten mit Bebauung kam der laufenden Überwachung der Gebirgsverformungen und der Oberflächensetzungen große Bedeutung zu. Ebenso war die laufende Überwachung der Erschütterungswerte und der Lärmemissionen aus dem Vortrieb von großer Wichtigkeit und bestimmend für den Ablauf der Arbeiten unter Tage. Nach Fertigstellung der Vortriebsarbeiten wurden die Betonierarbeiten mittels zweier Stahlschalwagen durchgeführt. Parallel dazu wurden die Ausbauarbeiten an den Notausstiegen vorgenommen, sodass ab Mitte 2010 das Baulos für die nachfolgenden Ausrüstungs- und Gleisbauarbeiten übergeben werden kann.

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Goldberger, H.; Stärk, A.Lainzer Tunnel lot LT31 - tunnelling with side wall drifts in Vienna / Lainzer Tunnel Baulos LT31 - Ulmenstollenvortrieb in WienGeomechanics and Tunnelling5/2009521-530Topics

Kurzfassung

Tunnelling in inner-city areas demands a high level of safety and represents a great challenge for the responsible engineers. The challenges increase with the cross-sectional area of the excavation, with the density of building on the surface and with deteriorating quality of the geology, and are thus considerable for twotrack rail tunnel in the 12th and 13th districts of Vienna. The lot LT31 “Maxing” of the Lainzer Tunnel met this increased demand through tunnelling with side wall drifts. On account of the splitting of the project into two neighbouring lots, the lot LT31 can only be entered through two starting shafts. This results in enormous space restriction and difficulties having to be taken into account, particularly in the initial phase. It proved possible to make up construction delays by adapting the side wall drifts method in the form of a “parallel drive”. The present report explains special features and difficulties, which have arisen in the course of tunnelling.

Tunnelbau im innerstädtischen Bereich ist von einem hohen Sicherheitsniveau geprägt und stellt für die beteiligten Ingenieure eine große Herausforderung dar. Dabei steigen die Anforderungen mit der Größe der Ausbruchsfläche, mit dem Grad der oberirdischen Bebauung sowie mit abnehmender Qualität der Geologie und sind bei diesem zweigleisigen Eisenbahntunnel im 12. und 13. Wiener Gemeindebezirk naturgemäß beachtlich. Das Baulos LT31 “Maxing” des Lainzer Tunnels trägt diesem erhöhten Anspruch in Form eines Ulmenstollenvortriebs Rechnung. Aufgrund der Projektaufteilung zwischen zwei benachbarten Baulosen ist das Los LT31 nur über zwei Startschächte zugänglich. Dadurch ergeben sich besonders für die Startphase der Vortriebe und für die Versorgung enorme Platzprobleme und Erschwernisse, die berücksichtigt werden müssen. Zeitliche Verzögerungen bei der Ausführung konnten durch eine Anpassung des Ulmenstollenvortriebs in Form eines “Parallelvortriebs” wieder egalisiert werden. Der vorliegende Bericht erläutert Besonderheiten und Schwierigkeiten, die im Zuge der Herstellung aufgetreten sind.

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Eder, M.; Bauer, M.; Pühringer, F.Harter Plateau tramway - Tunnelling under the tracks of the Linz main station / Straßenbahnlinie Harter Plateau - Tunnelbau unterden Gleisanlagen des Linzer HauptbahnhofsGeomechanics and Tunnelling5/2009531-543Topics

Kurzfassung

The local transport hub including a tram tunnel under the Linz main station was constructed from 2001 to 2004 as part of the intensive improvement of public transport in the city. As a logical extension of this project, tramline 3 belonging to Linz Linien GmbH was extended to the so-called Harter Plateau with a total length of 5.3 km. The route runs underground for a length of 1.3 km, mostly under the tracks of the Linz main station. The surface route connects the town of Leonding to the southwest of Linz, with eight new stops. The main emphasis of this article is the underground tunnel sections.

Im Rahmen des intensiven Ausbaus des öffentlichen Personennahverkehrs in der Stadt Linz wurde in den Jahren 2001 bis 2004 die Nahverkehrsdrehscheibe Linz mit der Straßenbahnunterfahrung des Hauptbahnhofs realisiert. Als logische Fortsetzung dieses Projekts wird im Zeitraum 2008 bis 2011 die Straßenbahnlinie 3 der Linz Linien GmbH über eine Gesamtlänge von 5,3 km auf das so genannte Harter Plateau verlängert. Über eine Länge von 1,3 km wird die Trasse unterirdisch im Wesentlichen unter den Gleisanlagen des Linzer Hauptbahnhofs geführt. Die Linienführung an der Oberfläche erschließt über acht neue Haltestellen die Stadt Leonding im Südwesten von Linz. Den Schwerpunkt des Beitrags bilden die in geschlossener Bauweise zu errichtenden Tunnelabschnitte.

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Preh, A.; Poisel, R.Notches formed by shear failures in tunnels (cherry pit mechanism) - advances in the progress of failure / Scherbruchkörper in der Leibung von Tunneln - neue Erkenntnisse zum VersagensablaufGeomechanics and Tunnelling5/2009544-552Topics

Kurzfassung

Rabcewicz was the first to describe the shear failure of cavities in rock (“Cherry pit mechanism”), which he observed in detail not only in tunnelling but also in mining and described into very advanced phases. He also developed an analytical model for this mechanism according to the limit equilibrium hypothesis, which permitted the estimation of the required support resistance. On the basis of model tests, Feder developed an extensive set of formulae for the process of failure. Using the finite difference code FLAC2D and the discrete element code PFC2D, the model presented by Rabcewicz and Feder has been developed further. It will be demonstrated that the process of failure can be split into two phases. In the late failure phase (large deformations), the mechanism observed in the mathematical model differs from the descriptions of Rabcewicz and Feder. While the break surfaces according to Rabcewicz and Feder form exclusively in the area near the cavity, break surfaces form in the mathematical model starting from the interstice of the side wall and extending far into the rock mass, and lead to the formation of trapezoidal regions in the crown and in the invert, which are pressed against each other.

Rabcewicz beschrieb als erster das Scherbruchversagen von Gebirgshohlräumen (“Cherry pit mechanism”), das er nicht nur im Tunnel- sondern auch im Bergbau eingehend beobachtete und bis in weit fortgeschrittene Phasen beschrieb. Für diesen Mechanismus entwickelte er auch ein analytisches Modell nach der Grenzgleichgewichtshypothese, das die Abschätzung von erforderlichen Ausbauwiderständen erlaubte. Auf der Basis von Modellversuchen entwickelte Feder einen umfangreichen Formelapparat für den Bruchablauf. Mithilfe des Finiten Differenzen Codes FLAC2D und des Diskreten Elemente Codes PFC2D wurden die Modellvorstellung von Rabcewicz und Feder weiterentwickelt. Es wird gezeigt, dass sich der Versagensablauf in zwei Phasen unterteilen lässt. In den späten Phasen des Versagens (große Verformungen) unterscheidet sich der in den numerischen Modellen beobachtete Mechanismus von den Beschreibungen von Rabcewicz und Feder. Während sich Bruchflächen bei Rabcewicz und Feder ausschließlich in den Nahbereichen des Hohlraums ausbilden, bilden sich in den numerischen Modellen Bruchflächen aus, die ausgehend von den Spitzen der Ulmenzwickel bis tief ins Gebirge reichen und zur Bildung von trapezförmigen Bereichen in der Firste und in der Sohle führen, die gegeneinander gedrückt werden.

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Kainrath-Reumayer, S.; Gschwandtner, G.; Galler, R.The convergence confinement method as an aid in the design of deep tunnels / Das Kennlinienverfahren als Hilfsmittel für die Bemessung von tiefliegenden TunnelbauwerkenGeomechanics and Tunnelling5/2009553-560Topics

Kurzfassung

The convergence confinement method is used in its original form for the analytic or graphical description of the ground and system behaviour of underground excavations. The purpose of the method is to derive the support measures required from the combination of the ground characteristic curve, a model of the development of the radial deformations of the excavation surface in the axial direction of the tunnel, the support characteristic curve and the installation time and location of the support measures. The convergence confinement method is mostly used in the preliminary design of underground structures.
Typical applications of the convergence confinement method are deep tunnels and tunnels with ground behaviour types where displacements play a major role. If sudden ruptures occur, in shallow tunnelling and in loose ground, this method is not to be recommended. An absolute precondition for the correct use is an understanding of the theory of the convergence confinement method and the course of failure mechanisms in the rock mass and their effects on the system behaviour.

Das Kennlinienverfahren (KLV) dient in seinen ursprünglichen Entstehungsformen zur analytischen oder grafischen Beschreibung des Gebirgs- und Systemverhaltens von untertägigen Hohlraumbauten. Ziel des Verfahrens ist es, aus der Kombination von der Gebirgskennlinie (GKL), einem Modell der Entwicklung der radialen Hohlraumrandverschiebungen in Tunnellängsrichtung, der Ausbaukennlinie und dem Einbauzeitpunkt sowie -ort der Stützmittel den notwendigen Stützmitteleinsatz abzuleiten. Das Kennlinienverfahren findet seinen Einsatz vorwiegend in der Vorbemessung von untertägigen Hohlraumbauten.
Typische Anwendungsbereiche des Kennlinienverfahrens sind tiefliegende Tunnel und Tunnel mit Gebirgsverhaltenstypen, bei denen Deformationen eine große Rolle spielen. Bei Auftreten abrupter Bruchvorgänge, im seichtliegenden Tunnelbau und im Lockergestein ist dieses Verfahren nicht empfehlenswert. Unabdingbare Voraussetzung für eine korrekte Anwendung sind das Verständnis der Theorie des Kennlinienverfahrens und der Abläufe der Bruchvorgänge im Gebirge und deren Auswirkung auf das Systemverhalten.

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Radon i , N.; Schubert, W.; Moritz, B.Ductile support design / Zur Auslegung duktiler AusbautenGeomechanics and Tunnelling5/2009561-577Topics

Kurzfassung

Tunnelling in weak ground under high overburden normally results in very high displacements and if a stiff support concept is applied, this requires a very high load-bearing capacity. This has again and again proved to be both an uneconomical and an unsafe concept, leading to extremely high lining thickness and brittle failure behaviour. In order to avoid such problems, ductile support systems have been developed, which allow controlled deformation of the ground and plastic dissipation of excessive stresses accumulated in the lining. For the efficient design of such systems, the aspects of spatial and time-dependent development of displacement, time-dependent properties of shotcrete, and the load-displacement behaviour of the ductile elements have to be harmonized.
The requirements posed on a ductile support system are presented, together with simple principles for the determination of ground behaviour boundaries when the application of a ductile support becomes imperative. Recent developments of ductile elements for use with shotcrete linings are described, and their general performance and efficiency are reviewed. A method for calculation of shotcrete stresses using absolute displacement monitoring data is presented, allowing the identification of both inefficient (lining stresses too low and strongly variable in the cross-section) or unsafe (lining stresses almost exceeding the strength) concepts and optimisation during construction.

Bei Tunnelvortrieben in Gebirge geringer Qualität und hoher Überlagerung treten in der Regel große Verformungen auf. Bei steifem Ausbaukonzept ist zum Erzielen eines Gleichgewichts eine sehr hohe Ausbaukapazität erforderlich. Die Erfahrung hat gezeigt, dass steife Ausbauten sehr unwirtschaftlich sind, und dass ein Versagen der Schale oft trotzdem nicht verhindert werden kann, was zu Sicherheitsproblemen führt. Zur Lösung des Problems wurden schon vor geraumer Zeit duktile Ausbausysteme entwickelt, die einen kontrollierten Lastaufbau in der Auskleidung erlauben. Zur Auslegung eines solchen duktilen Ausbaus müssen die räumliche und zeitliche Entwicklung der Verschiebungen sowie die zeitabhängigen Eigenschaften des Spritzbetons und die Charakteristik der duktilen Elemente berücksichtigt werden.
Eine Methode zur Ermittlung der Spannungen im Spritzbeton aus den Verschiebungsmessungen wird vorgestellt. Dies erlaubt eine einfache Abschätzung der Effizienz verschiedener Systeme sowie eine Optimierung der Auslegung duktiler Ausbauelemente.

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Lombardi, G.; Neuenschwander, M.; Panciera, A.Gibraltar Tunnel Project update - the geomechanical challenges / Gibraltar Tunnel Projektaktualisierung - die geomechanischen HerausforderungenGeomechanics and Tunnelling5/2009578-590Topics

Kurzfassung

The Gibraltar strait connection project is a very complex one, from its history to the various aspects of the present design stage. The preliminary design of the Gibraltar Tunnel was ready in 1996 but its revision became unavoidable because of the new findings about the geological conditions. The design update turned out to be rather more than a simple design review. The geotechnical characteristics had to be reconsidered for the purpose of the geomechanical computations, which focused on the possibility to realise the tunnel in the worst possible conditions: 200 meters of ground overburden and 50 atmospheres of water pressure is a quite different situation from the one the tunnelling industry is usually facing. Through a broad series of analyses (2D and 3D) and parametric studies, it was possible to ascertain that from a geotechnical point of view the tunnel is feasible provided a series of conditions are fulfilled. The feasibility depends on the possible working conditions for slurry shields or EPB. The drainage is an important factor in order to modify the stress field around the tunnel. Apart from in depth knowledge of the hydrogeological and geotechnical characteristics of the breccias in the centre of the Strait, major technological developments over the next years will be necessary for allowing the construction of the Gibraltar Tunnel.

Die Querung der Meerenge von Gibraltar ist von den ursprünglichen Ideen bis zum heutigen Projekt ein äußerst anspruchsvolles Vorhaben. Ein Vorprojekt für einen Tunnel zwischen Spanien und Marokko bestand bereits 1996, musste jedoch aufgrund neuer geologischer Erkenntnisse revidiert werden. Die Revision umfasste jedoch weit mehr als eine einfache Projektnachführung. Für die geomechanischen Analysen waren bislang nicht bekannte geotechnische Eigenschaften des Baugrundes zu berücksichtigen, um die Prüfung der Machbarkeit unter ungünstigen Bedingungen zu gestatten: 200 m Überdeckung bei 50 Atmosphären Wasserdruck sind doch unübliche Bedingungen im Untertagebau. Mittels einer umfassenden Reihe von 2D- und 3D-Analysen konnte der Beweis der Machbarkeit unter bestimmten Voraussetzungen erbracht werden: Diese hängt von den möglichen Arbeitsbedingungen eines Slurry- oder EPB-Schilds ab, wobei die Dränage eine zentrale Rolle für das Spannungsfeld in der Umgebung des Tunnels spielt. Außer verbesserter Kenntnisse der hydrogeologischen und der geotechnischen Eigenschaften insbesondere der Brekzien in Tunnelmitte, werden erhebliche technische Entwicklungen notwendig sein, um den Gibraltartunnel bauen zu können.

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Gollegger, J.; Priller, A.; Rausch, M.The use of open tunnel boring machines in squeezing rock in the Gotthard Base Tunnel / Einsatz von offenen Tunnelbohrmaschinen bei druckhaftem Gebirge im Gotthard BasistunnelGeomechanics and Tunnelling5/2009591-600Topics

Kurzfassung

In the Faido section of the Gotthard Base Tunnel (GBT), two open gripper tunnel boring machines (TBM) with a bored diameter of 9.4 m are each driving about 11 km of single-track tunnel. No extensive fault zones were expected in the entire section except for the Piora-Mulde. A special tunnel was driven to investigate the Piora-Mulde, from which investigation boreholes were drilled down to tunnel level. Because of the finding of sugar-grain dolomite, the tunnelling work was tendered by drilling and blasting as well as mechanically, but the tenders led to the award being based on TBM tunnelling.
In the course of construction, a stretch some hundreds of metres long unexpectedly had to be bored through squeezing rock, where the temporary support was destroyed and the West TBM and backup almost became jammed. This article describes the experience from the mechanical tunnelling of the Faido section and then gives details about the intended support, the design of the TBM, the difficulties that arose and the experiences gained.

Im Teilabschnitt Faido des Gotthard Basis Tunnels (GBT) fahren zwei offene Gripper Tunnelbohrmaschinen (TBM) mit einem Bohrdurchmesser von 9, 4 m und einem Achsabstand von 40 m eine Strecke von zweimal rund 11 km Einspurtunnel (EST) auf. Im gesamten Teilabschnitt wurden mit Ausnahme der Piora-Mulde keine mächtigeren Störzonen erwartet. Zur Erkundung der Piora-Mulde wurde ein eigener Stollen vorgetrieben, von dem aus Erkundungsbohrungen auf Tunnelniveau abgeteuft wurden. Aufgrund des Ausschlusses von zuckerkörnigem Dolomit wurde sowohl Sprengvortrieb als auch maschineller Tunnelvortrieb ausgeschrieben. Die Offerten führten zu einer Beauftragung des TBM-Vortriebs.
Im Zuge der Ausführung wurde unerwartet ein mehrere hundert Meter langer Bereich mit druckhaftem Gebirge aufgefahren, in dem die Außenschale zerstört wurde und es nahezu zum Verklemmen der TBM West und deren Nachläuferkonstruktion kam. Im vorliegenden Beitrag werden die Erfahrungen des bisherigen maschinellen Vortriebs im Teilabschnitt Faido beschrieben. Im Detail wird auf den vorgesehenen Ausbau, die Auslegung der TBM, die aufgetretenen Schwierigkeiten und auf die daraus gewonnenen Erfahrungen eingegangen.

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Wagner, H.; Handke, D.; Matter, J.; Fabbri, D.; Keiper, K.Concepts to overcome squeezing geological conditions at the Koralm tunnel / Konzepte zur Bewältigung druckhafter Gebirgsverhältnisse beim KoralmtunnelGeomechanics and Tunnelling5/2009601-611Topics

Kurzfassung

The Koralm tunnel forms the central part of the route of the Koralmbahn railway from Graz to Klagenfurt in the section Deutschlandsberg- St. Andrä. The tunnel, split into three construction contracts (KAT 1,2 and 3) connects the federal states of Carinthia and Styria in Austria with a length of 32.8 km. Continuous tunnelling is intended for the section through the central mountain complex of the Koralpe. The very variable geological conditions (rock and loose ground sections, overburden of up to approx. 1,200 m, possible high water pressures and pronounced zones of faulting and fracturing) represent a major challenge for the implementation of mechanical tunnelling (tunnelling, lining and logistics concepts). The present article discusses the geological and hydrogeological conditions as well as the basic concepts for support and machine system and the particular measures to overcome squeezing rock conditions.

Der Koralmtunnel bildet das zentrale Trassenstück der Koralmbahn Graz-Klagenfurt im Abschnitt Deutschlandsberg-St. Andrä. Der in drei Baulose (KAT 1, 2 und 3) gegliederte Tunnel verbindet auf einer Gesamtlänge von 32,8 km die Bundesländer Steiermark und Kärnten in Österreich. Für die Durchörterung des zentralen Gebirgskomplexes der Koralpe sind kontinuierliche Vortriebe vorgesehen. Die stark wechselnden geologischen Randbedingungen (Fest- und Lockergesteinsabschnitte, Überlagerungen bis ca. 1.200 m, mögliche hohe Wasserdrücke sowie ausgeprägte Störungs- und Zerrüttungszonen) stellen höchste Anforderungen an die Realisierung des Maschinenvortriebs (Vortriebs-, Ausbauund Logistikkonzept). Im vorliegenden Beitrag werden die geotechnischen und hydrogeologischen Randbedingungen analysiert sowie die Grundkonzepte für Ausbausicherung und Maschinensystem und die besonderen Vorkehrungen zur Bewältigung der druckhaften Gebirgsverhältnisse vorgestellt.

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Resch, D.; Lassnig, K.; Galler, R.; Ebner, F.Tunnel excavation material - high value raw material / Tunnelausbruchmaterial - hochwertiger RohstoffGeomechanics and Tunnelling5/2009612-618Topics

Kurzfassung

A project called “Recycling of Tunnel Excavation Material” has been running since November 2008, supported by the Austrian Research Promotion Agency (FFG) and eminent Austrian client organisations and companies engaged in tunnelling and hydropower station construction, to investigate the possible recycling of tunnel excavation material at eleven selected Austrian tunnel and hydropower projects. This is intended to demonstrate economical and environmentally positive recycling. Test strategies are also to be developed for the evaluation of the reusability of tunnel excavation material from the point of view of construction management and economics, both for the individual projects and also relevant to the main lithologies likely to be encountered in Austrian tunnels.

Seit November 2008 wird in einem von der Forschungsförderungsgesellschaft (FFG) und namhaften Auftraggebern und Baufirmen des österreichischen Kraftwerks- und Tunnelbaus unterstützten Forschungsprojekt “Recycling von Tunnelausbruchmaterial” die mögliche Wiederverwertung von Ausbruchmaterial an elf ausgewählten österreichischen Tunnel- und Kraftwerksprojekten der Zukunft untersucht. Eine wirtschaftliche und umweltschonende Wiederverwertung soll nachgewiesen werden. Weiters werden für die einzelnen Projekte und die in Österreich bei Tunnelausbrüchen zu erwartenden Hauptlithologien Versuchsstrategien zur Beurteilung der Wiederverwendbarkeit von Tunnelausbruchmaterial aus baubetrieblicher und bauwirtschaftlicher Sicht ermittelt.

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Lieb, R. H.Materials management at the Gotthard Base Tunnel - experience from 15 years of construction / Materialbewirtschaftung am Gotthard-Basistunnel - Erkenntnisse aus 15 Jahren AusführungGeomechanics and Tunnelling5/2009619-626Topics

Kurzfassung

The management of the handling of approximately 25 m tonnes of spoil material from the Gotthard Base Tunnel was and still is an enormous challenge. A permit system for concrete mixes and continuous testing of the excavated raw material and the grading of the broken rock ensure that as much spoil material as possible can be reused for the production of high-quality concretes and shotcretes for the construction of the tunnel.
Although a generous margin has been applied to forecasts in materials management since the start of the project, extensive alterations were necessary to the plans and facilities for materials management to deal with the actual development of the project. The main reasons for this were changes to the schedule of material production and requirements and changes of material quantities within and between the individual sections. It has proved possible so far to avoid materials management becoming a factor holding back the performance.

Die Bewirtschaftung der rund 25 Mio. Tonnen Ausbruchmaterial des Gotthard-Basistunnels war und ist eine enorme Herausforderung. Ein Zulassungssystem für Betonrezepturen sowie laufende Prüfungen am ausgebrochenen Rohmaterial und den aufbereiteten Gesteinskörnungen stellen sicher, dass möglichst viel Ausbruchmaterial wiederverwertet wird und damit hochwertige Betone und Spritzbetone für den Tunnelbau hergestellt werden. Obwohl seit Projektbeginn in der Materialbewirtschaftung mit großzügigen Prognosebandbreiten gearbeitet wurde, waren aufgrund der tatsächlichen Projektentwicklung umfangreiche Anpassungen an den Konzepten und Anlagen der Materialbewirtschaftung erforderlich. Die Hauptgründe dafür sind zeitliche Verschiebungen von Materialanfall und -bedarf sowie Veränderungen der Materialmengen innerhalb und zwischen den einzelnen Teilabschnitten. Bisher ist es gelungen die Materialbewirtschaftung nicht zum leistungsbestimmenden Faktor werden zu lassen.

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Harer, G.; Pichler, P.Solutions for the sustainable reduction of the tipping requirement at the Koralm tunnel / Lösungen zur nachhaltigen Verringerung des Deponieerfordernisses beim KoralmtunnelGeomechanics and Tunnelling5/2009627-632Topics

Kurzfassung

The Koralmbahn railway line between Graz and Klagenfurt is an essential part of the Baltic-Adriatic corridor. The new high-speed rail link will create new capacities and provide much better conditions for environmentally friendly rail goods traffic. The current journey times for passenger traffic will be considerably reduced. The Koralm tunnel with a length of about 32.9 km is the core piece of the new Koralmbahn. The tunnelling work will produce about 5 m m3 of excavated material in the consolidated state. For this reason, work on a programme for the economic and environmentally friendly processing of the material to be excavated from the tunnel has been undertaken since the earliest design phases, the aim being the highest possible degree of recycling and the lowest possible need for tipping.

Die Koralmbahn zwischen Graz und Klagenfurt stellt ein maßgebliches Teilstück im Rahmen des Baltisch-Adriatischen Korridors dar. Mit dieser neuen Eisenbahn-Hochleistungsverbindung werden neue Kapazitäten und deutlich verbesserte Voraussetzungen für den umweltfreundlichen Bahngüterverkehr geschaffen. Im Personenverkehr wird die derzeitige Fahrzeit erheblich reduziert. Der Koralmtunnel stellt mit einer Länge von rund 32,9 km das Kernstück der neuen Koralmbahn dar. Im Zuge des Tunnelbaus fallen im festen Zustand rund 5 Mio. m3 Ausbruchmassen an. Daher wurde bereits seit den frühesten Planungsphasen konsequent an einem Programm für den wirtschaftlichen und umweltfreundlichen Umgang mit diesem Tunnelausbruchmaterial, mit dem Ziel möglichst hoher Wiederverwendung und möglichst geringem Deponierungserfordernis, gearbeitet.

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Schröfelbauer, T.; Schreitl, B.; Kitzler, C.S1 Danube-Lobau tunnel - recycling of tunnel spoil material / S1 Tunnel Donau-Lobau - Wiederverwertung von TunnelausbruchmaterialGeomechanics and Tunnelling5/2009633-642Topics

Kurzfassung

An important part of the S1 Vienna outer ring expressway is the tunnel under the Danube and Lobau with a length of 8.3 m. The ground to be tunnelled through is marked by Quaternary gravels and also by silt/clay with sand layers with low silt content. About 6 km are thus to be bored by two closed tunnel boring machines. A detailed material recycling plan for the entire S1 was produced for the processing of the excavation spoil. The excavated material was categorised according to its quality into various categories for appropriate recycling. The greatest possible free play for economic solutions has to be balanced with high requirements for the protection of people and the environment.

Ein wesentlicher Bestandteil der S1 Wiener Außenring Schnellstraße ist der Tunnel unter Donau und Lobau mit 8,3 km Länge. Der zu durchfahrende Untergrund ist gekennzeichnet durch quartäre Kiese einerseits und Schluff/Ton mit schluffarmen Sandschichten andererseits. Rund 6 km sollen daher in geschlossener Bauweise mit zwei Tunnelbohrmaschinen hergestellt werden. Zur Abwicklung der anfallenden Ausbruchmassen wurde ein detailliertes Massenverwertungskonzept für die gesamte S1 erstellt. Die anfallenden Massen wurden dazu nach ihrer Qualität in mehrere Kategorien eingeteilt, die einer entsprechenden Verwertung zugeführt werden. Größtmögliche Spielräume für wirtschaftliche Lösungen sind dabei mit den hohen Anforderungen an den Schutz von Mensch und Umwelt in Einklang zu bringen.

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Haid, H.; Hammer, H.Katzenberg tunnel - environmental and approval constraints on the recycling of tunnel spoil material / Katzenbergtunnel - umwelttechnische und genehmigungsrechtliche Randbedingungen für die Verwertung von TunnelausbruchmaterialGeomechanics and Tunnelling5/2009643-651Topics

Kurzfassung

In connection with the construction of the Katzenberg tunnel on the new German Railways line from Karlsruhe to Basel, approx. 2.3 million m3 of mostly variable solid rock, some of which was seriously contaminated, was mechanically excavated (EPB shield) with the use of tenside additives, and was recycled with as little harm as possible to the environment. To do this, the recultivation of a limestone quarry was implemented as the technically and economically best and most environmentally acceptable solution. An estimation of hazards with a forecast of water percolation was used to demonstrate that the pollution of nature and environment, particularly concerning groundwater, could be kept to an acceptable level.
The legal situation regarding approvals was unusual, with the permit for the tipping of material excavated from the tunnel being the responsibility of the quarry operator, the geogenic pollution potential of the tunnel spoil mass being the responsibility of the client and for the construction additives used being the responsibility of the contractor. The preconditions for the recycling measures were created in close collaboration with the authority responsible for the approval and also through appropriate contract arrangements. The tunnel excavation spoil, partially with a slurry consistency, was stabilised on the construction site by adding lime, transported along a 2.5 km long conveyor to the quarry and tipped. The measures were accompanied by an environmental auditing programme, which included the drilling of boreholes into the mass of tipped spoil to demonstrate that the forecasts made had been largely met.

Im Zusammenhang mit dem Bau des Katzenbergtunnels der DB-Neubaustrecke Karlsruhe-Basel waren ca. 2,3 Millionen m3 von geogen teilweise erheblich belasteten, überwiegend veränderlich festen Gesteinen, die im Maschinenvortrieb (EPB-Schild) unter Tensidzugabe aufgefahren wurden, möglichst umweltgerecht zu verwerten. Hierbei wurde die Rekultivierung eines Kalksteinbruchs als technisch und wirtschaftlich beste und umweltverträglichste Lösung erarbeitet. Durch eine Gefährdungsabschätzung mit Sickerwasserprognose konnte der Nachweis erbracht werden, dass die Belastungen für Natur und Umwelt, insbesondere für das Grundwasser, in einem vertretbaren Rahmen liegen.
Als Besonderheit ist die genehmigungsrechtliche Situation zu erwähnen, wonach die Genehmigung für die Einlagerung der Tunnelausbruchmassen im Verantwortungsbereich des Steinbruchbetreibers, für die geogene Belastung der Tunnelausbruchmassen im Verantwortungsbereich des Bauherrn und für die eingesetzten Bauhilfsstoffe im Verantwortungsbereich der Baufirma lagen. In enger Zusammenarbeit mit der Genehmigungsbehörde sowie durch entsprechende Vertragsgestaltung wurden die Voraussetzungen für die Verwertungsmaßnahme geschaffen. Die teilweise in breiigem Zustand vorliegenden Tunnelausbruchmassen wurden auf der Baustelle durch Kalkzugabe stabilisiert, mittels eines 2,5 km langen Förderbands in den Steinbruch transportiert und dort eingebaut. Die Maßnahmen wurden durch ein umwelttechnisches Beweissicherungsprogramm begleitet. So konnte durch Bohrungen im Ausbruchmassen-Schüttkörper nachgewiesen werden, dass die getroffenen Prognosen weitgehend eingetroffen sind.

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Burdin, J.; Monin, N.The management of excavated materials from the Lyon-Turin rail link project / Materialbewirtschaftung am Projekt Eisenbahnverbindung Lyon-TurinGeomechanics and Tunnelling5/2009652-662Topics

Kurzfassung

The Lyon-Turin rail link project is a major part of the European Corridor no. 5, Lisbon-Kiev. The management and use of the excavated materials have been identified as one of the major issues concerning project approval since the very first stage of the study. The following paper describes the methods chosen by the French and Italian authorities to improve the use of some 20 million t resulting from the excavation of 150 km of tunnels, representing 60 million t of materials. The presentation mainly focuses on two tunnels, the Chartreuse tunnel - 24.7 km, two tubes - and the base tunnel Maurienne-Ambin - approx. 53 km, two tubes - under the Alps between France and Italy. All the tools today available are being used by the designer in order to prepare the tender documents, including industrial test production of concrete aggregates. The important role of the owner of the project is also mentioned with the aim of optimising the management and recycling of the excavated materials.

Das Eisenbahnprojekt Lyon-Turin ist wesentlicher Teil des Transeuropäischen Korridors Nr. 5, Lissabon-Kiew. Zu den größten Problemen hinsichtlich des Genehmigungsverfahrens wurden schon zu Beginn des Planungsprozesses die Bewirtschaftung und Wiederverwertung des Tunnelausbruchmaterials erkannt. Der vorliegende Beitrag beschreibt die Vorgehensweisen der französischen und italienischen Behörden zur Erhöhung des Anteils des wiederverwerteten Ausbruchmaterial aus insgesamt 150 km Tunnel auf 20 Mio t bei einer gesamten Ausbruchmenge von 60 Mio t. Die Präsentation konzentriert sich hierbei auf den 24, 7 km langen, zweiröhrigen Chartreuse-Tunnel und den ungefähr 53 km langen, zweiröhrigen alpenquerenden Basistunnel Maurienne-Ambin zwischen Frankreich und Italien. Zur Erstellung der Ausschreibungsunterlagen wurden seitens der Planer alle heutzutage zur Verfügung stehenden Mittel herangezogen, die auch eine großmaßstäbliche Testproduktion von Betonzuschlagstoffen beinhaltet. Dabei wird auch auf die bedeutende Rolle des Auftraggebers des Projekts bezüglich der Optimierung der Bewirtschaftung und Wiederverwendung des Ausbruchmaterials hingewiesen.

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Mittermayr, K.; Steiner, M.; Ramspacher, W.Material excavated from the A26 tunnel - transport and recycling / A26 - Tunnelausbruchmaterial, Transport, WiederverwertungGeomechanics and Tunnelling5/2009663-671Topics

Kurzfassung

The A26 Linzer autobahn represents one of the most complex new construction projects of Asfinag BMG, quite part from the traffic and technical challenges - location in the urban area of Linz, almost the entire route runs in tunnels or cut-and-cover and two large bridge structures. The tunnelled sections amount to a total length of about 3.2 km, of which about 600 m will be constructed as cut-and-cover. About 900,000 m3 of material will be excavated overall, of which 700,000 m3 is rock and 200,000 m3 loose ground. Particularly the transport away and the recycling of the material excavated from the tunnel will be a major challenge in the inner-city area. The Danube will be used as a waterway for the transport of excavated material from the mined sections in order to avoid truck transport with its resulting environmental impact. The recycling of the excavated material will be done at harbour facilities available in the neighbourhood of the project.

Die A26 Linzer Autobahn stellt neben ihren verkehrlichen und technischen Rahmenbedingungen - Lage im Stadtgebiet von Linz, Streckenführung praktisch zur Gänze als Tunnel- bzw. Unterflurtrasse, zwei große Brückenbauwerke - vor allem für die Bauausführung eines der komplexesten Neubauprojekte der Asfinag BMG dar. Die Tunnelbaustrecken umfassen eine Gesamtlänge von rund 3,2 km; davon werden rund 600 m als Unterflurtrasse oder in offener Bauweise ausgeführt. An Ausbruchmassen fallen insgesamt rund 900.000 m3 an, davon rund 700.000 m3 Festgestein und 200.000 m3 Lockermaterial. Speziell der Abtransport und die Weiterbehandlung der Tunnelausbruchmassen stellt im innerstädtischen Bereich eine große Herausforderung dar. So wird die Donau als Schifffahrtsroute für den Abtransport des Ausbruchmaterials der bergmännischen Bauweise genutzt, um LKW-Fahrten und somit Umweltbelastungen zu vermeiden. Die Weiterverwertung der Ausbruchmassen erfolgt an den dazu zur Verfügung stehenden Hafenanlangen im Umfeld des Projekts.

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Walter, H.Structural design of tunnels - how reliable are the results of numerical calculations? Investigation using a 3D model for a mined underground railway station / Tunnelstatik - wie zuverlässig sind die Ergebnisse numerischer Berechnungen? Untersuchung anhand eines 3D-Rechenmodells für eine bergmännisch vorgetriebene U-BahnstationGeomechanics and Tunnelling4/2009319-332Topics

Kurzfassung

State-of-the-art material laws in numerical models make it possible to integrate the structural design and the ultimate limit state analysis into the numerical model (“Implicit design”). The material laws limit the stresses to values, which the material can bear. Partial factors of safety on the load and resistance sides can also be taken into account. Using the example of a time-independent, 3D mathematical model for an underground railway station with tunnel junctions, which is being constructed by mining in soft soil, this paper investigates to what extent the material laws and the mathematical model fulfill the requirements laid down in the Eurocode for ultimate limit state analysis and how near these results are to the real situation.
Some simplifications and weaknesses of the mathematical model are explained, their effect on the results investigated and evaluated in relation to the uncertainties in the characteristics available for materials. Suggestions are made as to how the effects of defects in the model in an unsafe direction can be avoided. Further aspects, which can affect the reliability of calculations, are also pointed out.

Hochwertige Stoffgesetze in Berechnungsmodellen erlauben es, die Bemessung und den Tragsicherheitsnachweis in das numerische Modell zu integrieren (“Implizite Bemessung”): Die Stoffgesetze begrenzen die Spannungen auf Werte, die das Material ertragen kann. Auch Teilsicherheitsbeiwerte auf Last- und Widerstandsseite können erfasst werden. Am Beispiel des zeitabhängigen, räumlichen Rechenmodells für eine U-Bahnstation mit Tunnelverschneidungen, die in bergmännischer Bauweise im Lockergestein hergestellt wird, wird untersucht, wie weit die Stoffgesetze und das Rechenmodell die in den Eurocodes festgelegten Anforderungen zum Nachweis der Tragsicherheit erfüllen und wie realitätsnah die Berechnungsergebnisse sind.
Es werden einige Vereinfachungen und Schwächen des Rechenmodells beleuchtet, ihre Auswirkungen auf das Ergebnis untersucht und in Relation zu den Unsicherheiten bei den zur Verfügung stehenden Materialkennwerten bewertet. Vorschläge werden unterbreitet, wie Auswirkungen von Modellfehlern auf der unsicheren Seite vermieden werden können. Auf weitere Aspekte, die die Zuverlässigkeit von Berechnungen beeinträchtigen können, wird ebenfalls hingewiesen.

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Schweiger, H. F.; Vermeer, P. A.; Wehnert, M.On the design of deep excavations based on finite element analysis / Zur Bemessung tiefer Baugruben mit der Finite-Elemente-MethodeGeomechanics and Tunnelling4/2009333-344Topics

Kurzfassung

Advances in computer hardware and, more significantly, in geotechnical software over the past ten years have resulted in a widespread application of numerical methods in practical geotechnical engineering. These developments enable the geotechnical engineer to perform very advanced numerical analyses at low cost and with relatively little computational effort. Commercial codes running on PCs have become so user-friendly that little training is required for handling the programme. They offer sophisticated types of analysis such as fully coupled consolidation analysis with elasto-plastic material models. However, a strong background in numerical methods, mechanics and, last but not least, theoretical soil mechanics is essential for performing such complex calculations and obtaining sensible results.
This becomes of particular importance when results obtained from numerical analyses are used as basis for design. Unlike in conventional analysis where ULS design is governed by strength, the choice of the constitutive model and material parameters related to the stiffness of the soil will have a significant influence when utilising numerical methods because the relative stiffness between soil and support structure is taken into account, which is ignored in conventional design procedures. In addition, other model assumptions with respect to soil-structure interaction or drainage conditions (drained vs undrained) may play a significant role. Two aspects are addressed in this paper: firstly the influence of the constitutive model is evaluated for a simple benchmark problem, and secondly assumptions made for an undrained analysis of a deep excavation in soft clay, which eventually failed during construction, are critically assessed.

Entwicklungen in Computer Hardware, aber auch bei Programmsystemen, im letzten Jahrzehnt haben dazu geführt, dass aufwändige numerische Analysen zur Lösung geotechnischer Aufgabenstellungen in der Praxis kostengünstig und mit vertretbarem Zeitaufwand durchgeführt werden können. Kommerzielle Programmsysteme auf PC-Basis sind weitgehendst benutzerfreundlich, sodass die reine Bedienung dieser Programme wenig Vorkenntnisse erfordert. Komplexe Analysen wie gekoppelte Konsolidierungsberechnungen mit elastisch-plastischen Stoffgesetzen sind heute Standard. Um mit derartigen Berechnungen wirklichkeitsnahe Ergebnisse erzielen zu können, ist jedoch ein hohes Maß an Hintergrundwissen in numerischen Methoden, allgemeiner Mechanik und der Bodenmechanik im Speziellen Voraussetzung.
Dies wird umso wichtiger, wenn die Ergebnisse numerischer Berechnungen als Basis für die Dimensionierung dienen. Im Unterschied zu konventionellen Berechnungen, in denen die Tragfähigkeit nur von der Festigkeit des Bodens abhängt, ist bei Anwendung numerischer Methoden die Wahl des Stoffgesetzes und der Eingabeparameter zur Beschreibung der Festigkeit und Steifigkeit des Bodens von entscheidender Bedeutung. Dies liegt unter anderem daran, dass die Steifigkeitsunterschiede zwischen Boden und Verbauelementen, die in konventionellen Berechnungen unberücksichtigt bleiben, in numerische Berechnungen einfließen. Darüber hinaus können andere Modellierungsdetails der Boden-Bauwerks Interaktion sowie Dränageverhältnisse (dräniert - undräniert) eine signifikante Rolle spielen. In diesem Beitrag werden zwei Aspekte angesprochen: Im ersten Teil wird der Einfluss des Stoffgesetzes auf die Ergebnisse eines einfachen Beispiels aufgezeigt, und im zweiten Teil werden Annahmen zur undränierten Analyse einer tiefen Baugrube in weichem Ton, die während des Aushubs einstürzte, kritisch beleuchtet.

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Bakker, K. J.; Blom, C. &.Ultimate limit state design for linings of bored tunnels / Tübbingbemessung im Grenzzustand der Tragfähigkeit beim SchildvortriebGeomechanics and Tunnelling4/2009345-358Topics

Kurzfassung

According to modern design codes such as the Eurocode 7, soilretaining structures should also be designed according to Ultimate Limit State (ULS) analysis. From an economic point of view, the design of the lining, its thickness and reinforcement, would be optimal if the loading during construction is less critical than the loading during service life, i.e. under overburden loading. If necessary, measures could be taken to prevent any loading during construction becoming more critical than the overburden loading. If this can be achieved, the structural design would be limited to establishing the overburden pressures and calculating equilibrium between lining strength and overburden. For optimisation, one could use probabilistic theory and risk analytic techniques to establish a sufficient distance between actual loading and design parameters to get the most economic lining thickness and reinforcement.
In order to evaluate the present situation with respect to lining design, some observations from engineering practice are discussed: firstly with the example of the construction of the 2nd Heinenoord tunnel, where damage to the lining during construction was above average; and secondly from the construction of the Green Hart tunnel, where measurements show that flexibility of the tube and the influence of interaction between structure and ground can also lead to critical loading conditions for the lining. Finally, the analyses and observations are generalised and some conclusions with are drawn respect to lining design.

Die neuen Bemessungsnormen in der Geotechnik wie der EC 7 sehen auch eine Bemessung von Verbaukonstruktionen im Boden im Grenzzustand der Tragfähigkeit (ULS) vor. Aus wirtschaftlicher Sicht wäre eine Dimensionierung der Tübbinge, das heißt ihrer Dicke und Bewehrung, optimal, wenn die Beanspruchung während des Bauzustands geringer wäre als die Beanspruchung aus der Überlagerung im Endzustand. Falls notwendig könnten Maßnahmen gesetzt werden, die eine Beanspruchung im Bauzustand verhindern, die kritischer als infolge der Überlagerung ist. Sofern dies erreicht werden kann, wäre die baustatische Bemessung auf die Ermittlung der Überlagerungsdrücke und die Berechnung des Gleichgewichtszustands zwischen der Festigkeit der Tübbinge und des Überlagerungsdrucks begrenzt. Für eine Optimierung könnten probabilistische Theorien und risikoanalytische Methoden verwendet werden, um eine ausreichende Sicherheit zwischen vorhandener charakteristischer Beanspruchung und den Bemessungswerten festzusetzen und um die wirtschaftlichste Tübbingstärke und Tübbingbewehrung zu erhalten.
Zur Beurteilung des derzeitigen Stands der Tübbingbemessung werden einige Beobachtungen aus der Ingenieurspraxis erörtert: Die erste vom Bau des zweiten Heinenoord Tunnels, bei dem überdurchschnittlich viele Beschädigungen der Tübbinge während der Bauphase auftraten; die zweite vom Bau des Groene Hart Tunnels, bei dem Messungen zeigen, dass die Nachgiebigkeit der Tübbingringe und der Einfluss der Interaktion zwischen Baugrund und Bauwerk zu kritischen Beanspruchungen der Tübbinge führen können. Abschließend werden die Berechnungen und Beobachtungen verallgemeinert und einige Schlussfolgerungen im Hinblick auf die Tübbingbemessung gezogen.

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Stadelmann, R.; Pfeffer, A.; Wei, Z. Q.Design in tunnelling, structural design methods for the inner lining / Entwurf und Bemessung im Tunnelbau, statische Ansätze zur Bemessung der InnenschaleGeomechanics and Tunnelling4/2009359-368Topics

Kurzfassung

The following article deals with the design of the inner lining of the Gotthard Base Tunnel and the determination of the design loads. The determination of the loads is based on the geological conditions encountered and takes into account the installed support measures and the deformation, occurring. The observational method also makes a considerable contribution. Together with the criteria stated above, it proved possible to find a definition of the hazard scenarios and the resulting rock pressure in order to optimise the design of the inner lining.

Der folgende Beitrag behandelt die Dimensionierung der Innenschale des Gotthard Basistunnels und die Ermittlung der hierfür anzusetzenden Lasten. Die Lastenermittlung basiert auf der angetroffenen Geologie unter Berücksichtigung der eingebauten Sicherungsmittel und der eingetretenen Deformationen. Einen nicht unwesentlichen Beitrag dazu leistete die Beobachtungsmethode. Zusammen mit den vorgenannten Kriterien gelang es, eine Definition der Gefährdungsbilder und den damit gegebenen Gebirgsdrücken zu finden, um schließlich die Dimensionierung der Innenschale zu optimieren.

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Böttcher, C.; Fabricius, K.; Kaufmann, H.Subsoil movements due to boring of shallow tunnels with shield machines - application of finite elements in connection with a universally formulated material model / Baugrundbewegungen bei der Herstellung seicht liegender Tunnel im Schildvortrieb - Einsatz Finiter Elemente in Verbindung mit einem ganzheitlich formulierten StoffmodellGeomechanics and Tunnelling4/2009369-385Topics

Kurzfassung

Many infrastructure projects at the moment include the planning of shallow tunnels to be bored with a shield machine. The extent of the settlement trough with the resulting settlement and inclination of buildings often represent an important problem. Calculations of these deformations are based on an empirical approximation process or finite element methods.
The reliability of a FE calculation relies significantly on the quality and calibration of the material model used. A material model with a universal approach for all soils, whose parameters can be determined very simply from standardised laboratory tests, has been developed as a contribution to this problem in the consultancy of Dr. Binnewies. The practicality of the material model has been demonstrated in a multitude of specialised civil engineering projects where no damage occurred, and where the calculations performed at the design stage were confirmed by measurements during the construction phase.
The process is illustrated through the example of construction projects in Hamburg. The geology there is characterised by Pleistocene and Holocene sands as well as mica silt, illite and till of varying consolidation resulting from preloading during ice ages.

Im Rahmen zahlreicher Infrastrukturmaßnahmen sind derzeit im Schildvortrieb aufzufahrende Tunnel in seichter Lage geplant. Regelmäßig steht dabei die Ausdehnung der Setzungsmulde und die daraus resultierenden Setzungen und Schiefstellungen von Bauwerken im Fokus. In diesem Zusammenhang durchgeführte Verformungsberechnungen beruhen auf empirischen Näherungsverfahren oder der Finite-Elemente-Methode.
Die Zuverlässigkeit einer FE-Berechnung hängt wesentlich von Qualität und Kalibrierung des verwendeten Stoffmodells ab. Im Ingenieurbüro Dr. Binnewies wurde in diesem Zusammenhang ein Stoffmodell mit ganzheitlichem Ansatz für alle Böden entwickelt, dessen Parameter sehr einfach aus standardisierten Laborversuchen bestimmbar sind. Die besondere Eignung des Stoffmodells ist durch zahlreiche schadensfreie Baumaßnahmen im Spezialtiefbau belegt, bei denen die im Entwurf durchgeführten Berechnungen durch baubegleitende Messungen bestätigt wurden.
Am Beispiel von Baumaßnahmen in Hamburg werden die vorgenannten Zusammenhänge erläutert. Dort ist die Geologie durch pleistozäne und holozäne Sande sowie Glimmerschluff, Glimmerton und Geschiebemergel unterschiedlicher Konsolidation infolge eiszeitlicher Vorbelastung geprägt.

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Marcher, T.; Aydogmus, T.; John, M.; Fowler, M. E.Design approach for the hybrid underground station at Union Suare/Market Street in San Francisco / Entwurfskonzept für eine hybride U-Bahnstation Union Square/Market Street in San FranciscoGeomechanics and Tunnelling4/2009387-399Topics

Kurzfassung

The new Central Subway extension through downtown San Francisco consists of three underground stations and 2.7 km TBMdriven twin tunnel. This paper provides a description of the preliminary analyses and design of the ground support and final lining for the Union SquareMarket Street Station (UMS) along Stockton Street. This station will serve the Union Square Shopping District and connect to the BART Powell Street Station. Due to shortage of space above ground and to minimize surface disruption, the UMS station design requires a complex hybrid method consisting of a 20 m deep braced cut-and-cover box with a mined enlargement bulb below it with a height of 9.3 m and a width of 17.8 m.
The majority of the UMS station will be excavated in saturated alluvial deposits. Undifferentiated old bay deposits will be encountered in the invert, underlain by dense marine sands. The groundwater varies from 5 to 10 m below ground level, so uplift of the combined bulb/box structure has to be taken into account.
The Finite Element (FE) analysis of the UMS station cavern reflects the separate construction phases of the station platform box and the bulb to account for soil-structure interaction and load-sharing effects. FE analyses are used to estimate support requirements including ground improvement and to predict surface settlements.

Die Erweiterung der Central Subway durch die Innenstadt von San Francisco beinhaltet drei Stationsbauwerke und 2,7 km maschinell vorgetriebene Doppelröhrentunnel. In diesem Artikel erfolgt eine Beschreibung der Voruntersuchungen und Vorbemessung der Stützmaßnahmen sowie der Innenschale der Union SquareMarket Street Station (UMS) im Verlauf der Stockton Street. Diese Station soll dem Union Square Shopping Distrikt dienen und zur BART Powell Street Station verbinden.
Aufgrund der beengten Platzverhältnisse und zur Minimierung der Beeinträchtigung der Oberfläche ist ein “hybrides” Konzept der UMS-Station erforderlich. Dieses besteht aus einer 20 m tiefen ausgesteiften Baugrube (Box) und einer darunterliegenden bergmännisch hergestellten Kaverne (Bulb) mit 9,3 m Höhe und 17,8 m Breite.
Der Großteil der UMS-Station befindet sich in gesättigten alluvialen Ablagerungen. Undifferenziert werden alte Bucht-Ablagerungen und dichte marine Sande in der Sohle vorgefunden. Der Grundwasserspiegel variiert in einer Teufe zwischen 5 bis 10 m unter der Oberfläche, aus diesem Grund ist der Auftrieb des kombinierten Bauwerks bestehend aus Bulb und Box zu berücksichtigen.
In Finite Element (FE) Berechnungen der UMS-Station werden die einzelnen Bauphasen des Stationsbauwerks, sowohl von Box als auch Bulb, modelliert, um die Wechselwirkungen von Baugrund-Bauwerk und die jeweiligen Lastumlagerungen zu berücksichtigen. Mittels FE-Berechnungen werden schließlich die notwendigen Stützmaßnahmen - diese beinhalten auch Bodenverbesserungsmaßnahmen - und die Oberflächensetzungen festgelegt.

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