Microorganisms mainly from the domain of bacteria dominate life in the terrestrial subsurface up to a depth of several kilometers. Microbial life in that habitat is dependent on the availability of water and nutrients of biotic or abiotic origin. To produce biomass, bacterial primary producers are capable to use simple building blocks such as CO2, H2, CH4, reduced iron and sulfur, nitrate, phosphate as well as other salts and trace elements. Here, we describe the microbial content of several biofilm samples taken during the construction phase of a railway tunnel between the provinces of Styria and Carinthia (Koralm Tunnel). We could identify bacterial cells using light microscopy and used 16S rDNA based microbial profiling to characterize the bacterial community structure. Our results clearly show that the massive biofilms in tunnel drainage water were produced by a bacterial consortium typical for the deep continental subsurface biosphere. In many cases the majority of the consortium could be assigned to autotrophs, methanotrophs and methylotrophs.
Mikroorganismen, vor allem Bakterien, dominieren das Leben im terrestrischen Untergrund bis zu einer Tiefe von mehreren Kilometern. Das mikrobielle Leben ist in diesen Zonen auf das Vorhandensein von Wasser und Nährstoffen organischen oder anorganischen Ursprungs angewiesen. Primärproduzenten sind hauptsächlich autotrophe Bakterien, die aus einfachen Bausteinen wie CO2, H2, CH4, Schwefel- und Eisenverbindungen sowie Nitrat, Phosphat und verschiedenen anderen Salzen und Spurenelementen Biomasse, bestehend aus Zellen und Zellverbänden, generieren können. Im Zuge der Rohbau-Herstellung des Koralmtunnels wurde bei Entwässerungsbohrlöchern und nach Tunnelvortrieb teilweise massiver organischer Bewuchs festgestellt. Um die Verursacher dieser als Biofilme bezeichneten, mikrobiell verursachten Bewuchsformen zu identifizieren, wurden mikrobiologische (Mikroskopie) und genetische Untersuchungen (Mikrobiom-Analysen auf Basis von DNA-Sequenzierungen) durchgeführt. Die Ergebnisse zeigten, dass die im Koralmtunnel beobachteten und analysierten Biofilme vor allem auf die Aktivität von tief in der kontinentalen Erdkruste vorkommenden methylotrophen/methanotrophen und chemilithoautotrophen Bakterien zurückzuführen sind.

A field test was carried out in Koralmtunnel in order to enhance process understanding and to optimize the drainage system in a tunnel section that is complex in terms of hydrochemistry, water inflow and mineral (calcareous scale, iron ochre) and biological (microbial mats) deposits. The field test comprised three test fields with different system components and flow characteristics. The development of critical waters and deposits was recorded by continuous measurements of relevant water and air parameters by means of autonomous sensors/data loggers. Furthermore, the components were “forensically” examined with respect to scale formation. The experiments show the crucial importance of gas exchange (CO2, oxygen ingress), filling level (flow geometry/regime), residence time of waters and water-air interaction in the drainage system. The type, material consistency, and amount of scale and biofilms depend significantly on specific gradients. Floating scale crusts formed in stagnant sections, biofilms and iron ochre deposits of soft consistency formed at higher flow rates. Seepage packs and siphons turned out to be potential sediment traps with decreasing flow-through with no access. Drainage hoses and dimpled membranes tend to be beneficial because they can prevent air exchange at relatively high flow rates. High CO2 partial pressure within these components (measured and modeled) inhibits carbonate precipitation. The drainage system is locally designed as a series of direct cross-drains with simple flow paths, restricted air exchange, precautionary cleaning access, and optional water hardness stabilization (liquid conditioning).
Im Koralmtunnel wurde ein Feldversuch zwecks Prozessverständnis und Optimierung des Entwässerungssystems in einem hinsichtlich Hydrochemie, Wasserzutritt und mineralischer (Kalksinter, Verockerungen) wie biologischer (mikrobielle Matten) Ablagerungen komplexen Tunnelabschnitt durchgeführt. Drei Testfelder mit unterschiedlichen Systemkomponenten und Fließverhalten wurden eingerichtet. Die Entwicklung der Wässer und Ablagerungen wurde durch kontinuierliche Messungen relevanter Wasser- und Luftparameter mittels autonomer Sensoren/Datenlogger aufgezeichnet und die Bauteile wurden hinsichtlich Versinterung “forensisch” untersucht. Die Versuche zeigen die große Bedeutung des Gasaustauschs (CO2, Sauerstoffzutritt), des Füllstands (Fließgeometrie/-regime), der Verweilzeit der Wässer und der Wechselwirkung Wasser-Luft im Entwässerungssystem. Art, Konsistenz und Menge von Versinterung und Biofilmen hängen wesentlich von spezifischen Gradienten ab. In eingestauten Abschnitten bildeten sich aufschwimmende Sinterkrusten, bei höheren Fließraten Biofilme und Verockerungen weicher Konsistenz. Sickerpackungen und Siphons sind potenzielle Sedimentfallen mit abnehmendem Durchfluss bei fehlender Zugänglichkeit. Abschlauchungen und dichte Noppenbahnen sind tendenziell vorteilhaft, da sie den Luftaustausch bei relativ hohen Fließraten unterbinden können. Ein hoher CO2-Partialdruck innerhalb dieser Komponenten (gemessen und modelliert) unterbindet Kalkausfällung. Die Drainage wurde lokal als eine Reihe direkter Querausleitungen mit einfachen Fließwegen, eingeschränktem Luftaustausch, vorsorglichen Reinigungszugängen und optionaler Härtestabilisierung (Flüssigkonditionierung) ausgeführt.

The bidding consortium 3G Gruppe Geotechnik Graz ZT GmbH and Pöyry Infra GmbH as well as Geoconsult ZT GmbH and BGG Consult Dr. Peter Waibel ZT-GmbH were awarded the contract for the geological and hydrogeological documentation during the construction of the 33 km long Koralm Tunnel, which was split into three lots. To assess the potential for scale deposition, ongoing documentation and surveys of the groundwater inflows were undertaken in addition to the usual hydrogeological documentation. The scope of documentation included mapping of scale deposition and groundwater inflows, regular site visits and sampling of water and solids in the excavated tunnel (shotcrete and segmental lining) both during and after excavation works. Furthermore, long-term monitoring of the water inflows (on-site parameters, determination of / changes in humidity) and laboratory analysis of the individual and mixed groundwater samples identified the parameters required to assess the potential for scale deposition. The documentation, analysis and assessments provided the basis for ultimately deciding which tunnel sections would require hardness stabilisation measures to reduce or inhibit scaling and calcium carbonate precipitations in the drainage system during the operational phase.
Im Zuge der Bautätigkeiten des Koralmtunnels waren die Bietergemeinschaften 3G Gruppe Geotechnik Graz ZT GmbH und Pöyry Infra GmbH sowie Geoconsult ZT GmbH und BGG Consult Dr. Peter Waibel ZT-GmbH mit der geologisch-hydrogeologischen Dokumentation der drei Rohbau-Baulose beauftragt. Zur Bewertung der Versinterungsneigung wurden über die übliche hydrogeologische Vortriebsdokumentation hinaus weiterführende Dokumentationen und Parametererhebungen der Berg- bzw. Grundwasserzutritte durchgeführt. Flächige Versinterungs- und Bergwasserzutrittskartierungen, regelmäßige Begehungen und Wasser- sowie Feststoffprobennahmen im ausgebauten Tunnel (Spritzbeton- bzw. Tübbingschale) während und nach Abschluss der Vortriebsarbeiten bildeten den Dokumentationsumfang. Darüber hinaus lieferten die (Langzeit-)Beobachtungen der Wasserzutritte (Geländeparameter, Bestimmung / Änderung des Feuchtegrads) sowie die laboranalytischen Untersuchungen der Berg- und Mischwasserproben jene Parameter, die für die Beurteilung hinsichtlich der Versinterungsneigung der Wässer erforderlich sind. Die durchgeführten Dokumentationen, Analysen und Bewertungen dienten als maßgebliche Entscheidungsgrundlage für die schlussendliche Festlegung jener Abschnitte, die in der Betriebsphase des Tunnels mit Härtestabilisierungsanlagen bzw.-mitteln versehen werden sollen um Sinterbildungen/Kalkausfällungen im Drainagesystem zu reduzieren bzw. zu verhindern.

The drainage system is a core element of tunnel construction and operation. Frequently, natural as well as technical boundary conditions lead to the deposition of scales (especially calcium carbonates) in the drainage system. As a preventive measure - in contrast to post-depositional cleaning procedures - the use of scale inhibitors to treat the drainage water (hardness stabilisation) is an option. ‘Green inhibitors’ are tailored green organic substances that delay or prevent scale formation when added in small concentrations. Moreover, green inhibitors can change the material consistency of scale deposits (soft sinter). An additional advantage of their use is the good environmental compatibility compared to conventional inhibitors. Suitable test procedures can be used to select a substance or product and evaluate or optimise its dosage. The application of polyaspartic acid or polysuccinimide products as ecologically harmless and readily biodegradable agents has proven advantageous in tunnel structures. The choice of liquid or depot stone conditioning essentially depends on the scaling mechanism, in addition to the technical considerations, flow rates and water chemistry. Regarding discharge to existing receiving water bodies, the inhibitor concentration in the water can be measured and controlled by DOC analysis and fluorescence spectroscopy. This article presents contemporary and tunnel-specific case studies.
Die kontinuierliche Entwässerung eines Tunnelbauwerks über das Drainagesystem stellt ein zentrales Element der Bauausführung und des Betriebs dar. Häufig führen natürliche und technische Randbedingungen dazu, dass sich mineralische Abscheidungen (v.a. Karbonat-Sinter) im Drainagesystem ablagern. Als präventive Strategie bietet sich die Härtestabilisierung des Drainagewassers an, die durch Zugabe bestimmter Wirkstoffe die Abscheidung dieser Sinter reduzieren und dessen Materialkonsistenz verändern kann. Im Gegensatz zu konventionellen Inhibitoren werden vermehrt Grüne Inhibitoren eingesetzt. Diese zeichnen sich durch eine gute Umweltverträglichkeit aus. Mittels geeigneter Testprozeduren kann die Auswahl eines Wirkstoffs und dessen Dosierung bewertet und optimiert werden. Die Anwendung von Produkten auf Basis von Polyasparaginsäure und Polysuccinimid hat sich als ökologisch unbedenklicher Wirkstoff für Tunneldrainagen bewährt. Die Umsetzung der Konditionierung hängt von den fallspezifischen technischen und geogenen Rahmenbedingungen ab. Hinsichtlich der Einleitung in natürliche Fließgewässer wird ein Monitoring des Inhibitorgehalts empfohlen. Es werden aktuelle Konzepte und Fallstudien zur Flüssigkonditionierung aus dem Koralmtunnel und der Tunnelkette Semmering vorgestellt und erläutert.

The development of a partially remote controlled and automated long distance flushing system used during maintenance is part of the maintenance strategy of the Austrian Federal Railways (ÖBB Infrastruktur AG). The so called MDR (modular drainage flushing system railway) will come into use in the three new railway tunnels Granitztal Tunnel, Koralm Tunnel and Semmering Base Tunnel along the Southern Railway Line. The flushing system consists of the major components MDR flushing box, MDR transport module and various permanently installed components such as flushing shaft, water supply, electricity and data connection. During drainage flushing the MDR is positioned on top of the central flushing shaft in the respective crossway area and connected to the required infrastructure. With the proposed hose length of 600 m, the remote-controlled flushing system flushes all drainages along a length of 500 m in both tunnel tubes as well as the crossways. Once the flushing process and quality check via camera inspection have been completed, the MDR flushing box is moved to the next site at the next crossway during a break in operations. During the flushing process itself, railway traffic does not have to be interrupted. Track closure is only necessary when the MDR is being relocated. In order to increase the MDR flushing box's flexibility the system should also be usable on the tracks themselves.
Für die Instandhaltung der Drainagen langer Tunnelbauwerke wird seitens ÖBB-Infrastruktur AG ein teilweise ferngesteuertes und automatisiertes Spülsystem entwickelt. Es trägt die Kurzbezeichnung MDB (Modulares Drainagespülsystem Bahn) und soll in den neu errichteten Tunnelbauwerken der Südstrecke (Granitztaltunnel, Koralmtunnel und Semmering-Basistunnel) zum Einsatz kommen. Dieses Spülsystem besteht aus der MDB-Spülbox, der MDB-Transporteinheit und verschiedenen fest im Tunnel verbauten Komponenten (Spülschächte, Wasser-, Strom- und Datenversorgung). Beim Drainagespülen wird die MDB-Spülbox im betroffenen Querschlagsbereich über dem zentralen Spülschacht abgestellt und angeschlossen. Das Spülsystem spült ferngesteuert mit der vorhandenen Schlauchlänge von 600 m alle Drainagen in beiden Fahrröhren über eine Länge von 500 m sowie im Querschlag. Nach Abschluss des Spülprozesses inkl. Qualitätssicherung über parallel stattfindender Kamerabefahrung wird die MDB-Spülbox in einer Betriebspause zum Aufstellpunkt im nächsten Querschlagbereich transportiert. Während der Spülung selbst kann der Eisenbahnbetrieb ohne Behinderung geführt werden. Gleissperren sind nur für das Umstellen der MDB-Spülbox erforderlich. Um die Flexibilität zu erhöhen, soll ein Betrieb der MDB-Spülbox auch gleisgebunden möglich sein.

The documentation of the tunneling process is a crucial task of every tunnel construction project. It provides evidence of the work performed and thus, serves as a basis for invoicing and for several further analyses. Therefore, continuous digitalisation of this documentation is essential. For this purpose, we provide a digital Tunneling Information Management System (TIMS), which is a prototypically implemented software tool for replacing the still common paper-based documentation process of tunneling projects using the New Austrian Tunneling Method (NATM). The data model presented here defines the data structures managed by this tool. Based on this, the software architecture and the implementation of TIMS is shown.

Das Tunneling Information Management System - Ein Werkzeug zur Dokumentation von Tunnelbauprozessen in NÖT Projekten
Die Dokumentation des Tunnelbaus ist eine wichtige Aufgabe bei jedem Tunnelbauprojekt. Diese dient dem Nachweis der geleisteten Arbeit und damit als Grundlage für die Rechnungslegung und für verschiedene weitere Auswertungen. Eine durchgängige Digitalisierung dieser Dokumentation ist daher unerlässlich. Zu diesem Zweck stellen wir ein digitales Tunneling Information Management System (TIMS) zur Verfügung. Dabei handelt es sich um ein prototypisch implementiertes Softwaretool, um den immer noch üblichen papierbasierten Dokumentationsprozess von Tunnnelbauprojekten mit Neuer Österreichischen Tunnelbaumethode (NÖT) zu ersetzen. Das vorgestellte Datenmodell definiert die von diesem Tool verwalteten Datenstrukturen. Darauf aufbauend wird die Softwarearchitektur und die Implementierung von TIMS vorgestellt.

In the Architecture, Engineering and Construction (AEC) industry, as well as in the tunnelling domain, inter-company processes between partners in different roles in large-scale construction projects still exhibit great potential towards digitalisation. Thereby, information should be seamlessly shared between partners according to the Building Information Modelling (BIM) paradigm. Today, different types of artefacts (e.g., models, plans, documents, etc.) are shared at different points in time, which differ in terms of requirements, information content, as well as data formats. In this article, we extend and prototypically implement the concept of Data Drops to provide those artefacts in a digitalised form via a shared Data Drop management platform. For this purpose, we have developed a formal, well-defined indexed data structure on a metadata level. This not only facilitates traceability, but also enables searching for specific meta-information and provides a common view on Data Drops. In addition, a networked view between different drops can be provided. The approach is being evaluated on the use case of a real tunnel construction project.

Data Drops im Tunnelbau
In der AEC-Branche (Architektur, Ingenieur- und Bauwesen) wie auch im Tunnelbau haben unternehmensübergreifende Prozesse zwischen Partnern in unterschiedlichen Rollen bei großen Bauprojekten nach wie vor ein großes Potenzial hinsichtlich der Digitalisierung. Dabei sollen Informationen nach dem Building Information Modelling (BIM)-Paradigma nahtlos zwischen den Partnern ausgetauscht werden können. Heute werden zu unterschiedlichen Zeitpunkten verschiedene Arten von Artefakten (z. B. Modelle, Pläne, Dokumente, etc.) ausgetauscht, die sich in Bezug auf Anforderungen, Informationsgehalt und Datenformate unterscheiden. In diesem Beitrag wird das Konzept der Data Drops erweitert und prototypisch implementiert, um diese Artefakte in digitalisierter Form mittels einer Data Drop Managementplattform zur Verfügung zu stellen. Zu diesem Zweck entwickeln wir eine formal wohldefinierte indexierte Datenstruktur auf Metadatenebene. Dies ermöglicht die Nachvollziehbarkeit, Auffindbarkeit sowie eine gemeinsame Sicht auf die Data Drops. Zusätzlich kann auch eine vernetzte Sicht zwischen verschiedenen Drops bereitgestellt werden. Dieser Ansatz wird am Anwendungsfall eines realen Tunnelbauprojekts evaluiert.

Building information modelling (BIM) is a frequently discussed topic in tunnelling since it promises less loss of information and reduced lifetime cost of underground infrastructure. There is still some way to go as standardisation in this sector is immature, the implementation of three-dimensional (3D) BIM models is developed for pilot cases of tunnelling only, and data transfer between software tools is a challenge. The long linear structures of tunnels make a specific approach of parameterised and adaptive modelling necessary to meet the requirements of repetitive construction elements and the natural differences of forecast and actual excavation conditions. This approach renders the matching of construction elements in the model and service items feasible for determining quantities for the tender and billing in tunnel projects. In this article, we show that only 57 % of service items can actually be linked to a physical item in traditional two-dimensional (2D) design and highlight the need to consider how to incorporate these items into a BIM model. We also use a case study to propose an approach for parameterised and adaptive modelling of repetitive construction elements and show a way of a continuous data transfer from the forecast tunnelling class distribution via 3D BIM modelling to a billing software without data loss.

Adaptives und parametrisiertes 3D BIM Modell für Ausschreibung und Vortriebsphase
Building Information Modelling (BIM) ist Gegenstand häufiger Diskussionen im Tunnelbau, weil es geringere Informationsverluste und verminderte Lebenszykluskosten untertägiger Infrastrukturen verspricht. Dahin ist noch ein weiter Weg zurückzulegen, zumal in dieser Branche die Standardisierung wenig ausgereift ist, die Erstellung von 3D BIM-Modellen in Tunnelbau-Pilotprojekten entwickelt wird und der Datenaustausch zwischen Softwareprodukten eine Herausforderung darstellt. Lange lineare Tunnelbauwerke machen spezifische Zugänge einer parametrisierten und adaptiven Modellierung nötig, um den Anforderungen sich wiederholender Bauteile und den naturgemäßen Unterschieden prognostizierter und tatsächlicher Vortriebsverhältnisse zu genügen. Der Ansatz rückt die Zuordnung von Bauteilen des 3D Modells und Leistungspositionen in Reichweite, um Massen für Ausschreibung und Abrechnung im Tunnelbau zu ermitteln. Wir zeigen in diesem Beitrag, dass nur zirka 57 % der Leistungspositionen als Zeichenelemente in der traditionellen 2D Planung vorkommen, und betonen die Notwendigkeit von deren Einbindung in einem BIM Modell. Wir verwenden eine Fallstudie, um den Ansatz einer parametrisierten und adaptiven Modellierung sich wiederholender Bauelemente vorzuschlagen und zeigen eine Option für einen durchgängigen verlustlosen Datentransfer von der prognostizierten Vortriebsklassenmatrix-Verteilung über das 3D BIM Modell zu einer Abrechensoftware auf.

The successful management of big tunnelling projects requires the complete documentation of technical and financial data as well as their ongoing evaluation. The current study reviews the possibilities for digital documentation of tunnel construction with the subsequent integration of this data with an invoicing software. It suggests an implementation model, a building information modeling (BIM) project element list and a digital on-site data recording tool for a workflow in New Austrian Tunnelling Method (NATM) projects. This digital resource enables central data management that improves and speeds up automated invoicing processes.

Voraussetzungen für einen BIM-basierten Abrechnungsprozess bei NÖT-Vortrieb
Das erfolgreiche Management von großen Tunnelbauprojekten erfordert die lückenlose Dokumentation von technischen und finanziellen Daten sowie deren laufende Auswertung. Die vorliegende Studie untersucht die Möglichkeiten zur digitalen Dokumentation des zyklischen Tunnelbaus mit anschließender Integration dieser Daten in die Abrechnungssoftware. Für Projekte nach der Neuen Österreichischen Tunnelbaumethode (NÖT) wird ein Arbeitsprozess vorgestellt, der ein Implementierungsmodell, eine BIM (Building Information Modelling)-Projekt-Elementliste und ein digitales Datenerfassungstool zusammenfasst. Das Datenmanagementsystem ermöglicht ein zentrales Datenmanagement, das automatisierte Rechnungsprozesse verbessert und beschleunigt.

This article analyses and discusses the current state of the art in the development of digital ground models in tunnelling. Following a review and discussion of the literature research combined with interview responses, a deficit analysis was performed. It shows why current projects mainly work with models and software that function as isolated solutions. A lack of software developments and limited collaborative work mean that the effects of current findings cannot immediately be implemented in models. Accordingly, the enormous potential of full coaction can only be imagined. A further problem is the lack of loss-free data exchange across varying project phases and participants. Science is already moving in the right direction with the goal of harmonising the basic systematics. Finally, requirements for a digital ground model are formulated, and in combination with collaborative working and improved communication, these result in a large number of advanced possible applications.

Aktuelle Entwicklung der digitalen Baugrundmodellierung im Tunnelbau
In diesem Beitrag wird der aktuelle Stand der Technik der Entwicklung des digitalen Baugrundmodells im Tunnelbau analysiert und erörtert. Nach der Zusammenschau und Diskussion von Literaturauswertung und Interviewantworten wurde eine Defizitanalyse durchgeführt. Sie zeigt auf, warum derzeitige Projekte vorwiegend mit Modellen und Softwareanwendungen arbeiten, welche als Insellösungen funktionieren. Fehlende Softwareentwicklungen und eingeschränkte kollaborative Bearbeitungen führen dazu, dass die Auswirkungen aktueller Erkenntnisse in den derzeit zur Anwendung kommenden Modellen oft nicht unmittelbar eingearbeitet werden. Dementsprechend können die enormen Potenziale der Zusammenwirkung derzeit nur erahnt werden. Ein weiterer Schwachpunkt ist die fehlende Möglichkeit eines verlustfreien Datenaustausches über Projektphasen und Projektbeteiligte hinweg. Mit dem Ziel einer Harmonisierung der grundlegenden Systematik geht die Wissenschaft bereits in die richtige Richtung. Abschließend werden Anforderungen für ein digitales Baugrundmodell formuliert, die in Kombination mit einer kollaborativen Bearbeitung und verbesserten Kommunikation eine Vielzahl an erweiterten Anwendungsmöglichkeiten ergeben.

Tunnel surveys making use of photogrammetric three-dimensional (3D) tunnel reconstruction reach resolutions in the millimeter range. Classical big data visualization approaches display point clouds only, neglecting this considerable resolution difference between structure and texture. The article suggests a data structure that separates structural and textural resolution by a regular grid on the unwrapped design surface for 3D, combined with a UV mapping technique as regularly used in computer graphics. For real-time rendering of huge multiscale data sets, the result of photogrammetric commercial-off-the-shelf reconstructions is transformed into a proprietary hierarchical data structure. It facilitates to only load currently relevant parts of the tunnel surface from the hard drive, and only upload and render currently adequate levels-of-detail onto the graphics card for seamless exploration of high-resolution geometric and image 3D tunnel data of arbitrary length. The solution allows for smooth interactive analysis and annotation such as crack identification and mapping, inventory, deformation assessment, and dimensional measurements. Aspects of data generation are addressed and information is given about the data structure, showing examples from entire tunnel 3D representations to demonstrate the smooth behaviour of the real-time rendering of huge data volumes in various scales on standard graphics hardware.

Hochauflösendes 3D-Mehrzweck-Rendering von Tunneloberflächen in Echtzeit
Die photogrammetrische 3D-Rekonstruktion von Tunnelgeometrien erreicht Auflösungen im mm-Bereich. Klassische Big-Data-Visualisierungsansätze zeigen nur Punktwolken an, ohne den erheblichen Auflösungsunterschied zwischen Struktur und Textur zu berücksichtigen. Der Beitrag schlägt eine Datenstruktur vor, die Struktur- und Texturauflösung durch ein regelmäßiges Gitter auf der abgewickelten Designoberfläche für 3D trennt, kombiniert mit einer UV-Mapping-Technik als Standard-Verfahren der Computergrafik. Für das Echtzeit-Rendering riesiger Datensätze unterschiedlicher Auflösungen wird das Ergebnis photogrammetrischer, handelsüblicher Rekonstruktionen in eine proprietäre hierarchische Datenstruktur umgewandelt, die es ermöglicht, nur die aktuell relevanten Teile der Tunneloberfläche in den aktuell adäquaten Detailstufen von der Festplatte auf die Grafikkarte zu laden und zu rendern, für eine nahtlose Exploration von hochauflösenden Struktur- und Texturdaten beliebiger Größe. Die Lösung ermöglicht eine reibungslose interaktive Analyse und Annotation, wie z. B. Rissidentifizierung und -kartierung, Bestandsaufnahme, Deformations- und Dimensionsmessungen. Neben Aspekten der Datengenerierung und Informationen über die Datenstruktur wird anhand von Beispielen ganzer Tunnel-3D-Darstellungen das reibungslose Verhalten des Echtzeit-Renderings riesiger Datenmengen in verschiedenen Maßstäben auf Standard-Grafikhardware demonstriert.

In tunnelling, the geological documentation comprises the daily recording and processing of various data for continuously assessing the geological-geotechnical conditions on-site. One of the core tasks is the documentation of the tunnel face area. With Geodata's Tunnel Mapper, a new measuring system is presented enabling a highly automated data acquisition and the processing of a geo-referenced three-dimensional (3D) tunnel face model. Versions of the measuring system for both conventional and mechanised tunnelling have been developed. From the 3D model, high-quality digital products as well as geometric and geological parameters can be derived, which serve as a basis for decisions on-site. The data can then be integrated into the geological information system TUGIS.NET of Geoconsult, merged there with other data and further (geologically) evaluated, analysed and visualised. A spatial model that has been interpreted and quantified by the geologist can be established and used for target/actual comparisons and forecasts. The model can be transferred into building information modeling (BIM)-compatible data structures for integration into an overall BIM model of the project. The further automation and digitalisation of the geological documentation and the full documentation (geometry and geology) of the face area are achieved in the interaction of the systems mentioned.

Automatisierung und Digitalisierung der geologischen Dokumentation im Tunnelbau
Die geologische Dokumentation umfasst im Tunnelbau die tägliche Erfassung und Auswertung vielfältiger Daten zur laufenden Beurteilung der geologisch-geotechnischen Verhältnisse vor Ort. Eine der Kernaufgaben ist die Dokumentation der Ortsbrust. Mit dem Tunnel Mapper Geodata wird ein neues Messsystem vorgestellt, das eine weitgehend automatisierte Datenerfassung und -auswertung bis hin zu einem georeferenzierten 3D-Modell der Ortsbrust ermöglicht. Versionen des Messsystems sowohl für konventionelle als auch maschinelle Vortriebe wurden entwickelt. Aus dem 3D Modell lassen sich hochwertige, digitale Produkte sowie geometrische und geologische Parameter ableiten, die als Grundlage für Entscheidungen auf der Baustelle dienen. Die Daten können nachfolgend in das geologische Informationssystem TUGIS.NET, Geoconsult ZT GmbH, integriert, dort mit anderen Daten zusammengeführt und weiter (geologisch) ausgewertet, analysiert und visualisiert werden. Ein vom Geologen interpretiertes und quantifiziertes räumliches Modell kann erstellt und für Soll-Ist-Vergleiche und Prognosen verwendet werden. Das Modell kann in BIM-kompatible Datenstrukturen überführt werden, um es in ein Gesamt-BIM-Modell des Projekts zu integrieren. Ein weiterer Schritt zur Automatisierung und Digitalisierung der geologischen Dokumentation und die vollständige Dokumentation (Geometrie und Geologie) der Ortsbrust werden im Zusammenspiel der genannten Systeme erreicht.

Complex subsurface operations are characterized by a life-threatening environment, a skilled and initiative opponent, and the absence of predictability of the events due to a high level of interdependencies. The reduction of complexity by provision of essential information is crucial for decision-making and rapid integration and visualization of heterogeneous data is essential for successful mission accomplishment. Currently, only standalone applications are available for the underground operational environment, and collaborative planning and working spaces in command and control are missing. The RApid Data Integration and Visualization (RADIV) process addresses exactly this challenge and ensures the lateral continuity of visualization systems across the entire reality-virtuality continuum (2D ó 3D ó mixed reality). It provides a comprehensive command and control system for subterranean operations by processing and visualizing data in different views for different purposes. Integration of these data within the Subsurface Operations Mission Tool (SOMT) will increase the decision quality by improved perception and collaboration. Close cooperation and information exchange between operators and action forces is a prerequisite for success by displaying the relevant information within the truly comprehensive common operational picture, thereby enabling more accurate and precise action reducing own losses and collateral damage.

RAsche DatenIntegration und Visualisierung in Untertage-Einsätzen
Komplexe unterirdische Operationen sind gekennzeichnet durch eine lebensbedrohliche Umgebung, einen geschickten und initiativen Gegner und die fehlende Vorhersehbarkeit der Ereignisse aufgrund eines hohen Maßes an gegenseitigen Abhängigkeiten. Die Reduktion der Komplexität durch die Bereitstellung wesentlicher Informationen ist für die Entscheidungsfindung von entscheidender Bedeutung, und die schnelle Integration und Visualisierung heterogener Daten ist für die erfolgreiche Durchführung von Missionen unerlässlich. Derzeit stehen für das Einsatzumfeld unter Tage nur Einzelanwendungen zur Verfügung, kollaborative Planungs- und Arbeitsumgebungen in der Einsatzleitung fehlen. Der Prozess der RAschen DatenIntegration und Visualisierung (RADIV) adressiert genau diese Herausforderung und gewährleistet die laterale Durchgängigkeit von Visualisierungssystemen über das gesamte Realitäts - Virtualitäts - Kontinuum (2Dó3DóMixed Reality). Er bietet ein umfassendes Steuerungs- und Kontrollsystem für unterirdische Einsätze durch die Verarbeitung und Visualisierung von Daten in verschiedenen Ansichten für unterschiedliche Zwecke. Die Integration dieser Daten in das Subsurface Operations Mission Tool (SOMT) wird die Entscheidungsqualität durch verbesserte Wahrnehmung und Zusammenarbeit erhöhen. Die enge Zusammenarbeit und der Informationsaustausch zwischen Betreibern und Einsatzkräften ist eine Voraussetzung für den Erfolg, indem die relevanten Informationen innerhalb eines umfassenden Common Operational Picture angezeigt werden, wodurch ein genaueres und präziseres Vorgehen ermöglicht wird, das eigene Verluste und Kollateralschäden verringert.

Unthinkable just a few years ago, the precise laser-scanning survey of a kilometer-long tunnel in one day by one operator has become possible. This article describes how 261 scans were taken with a RIEGL VZ-400i laser scanner to digitize the Zentrum am Berg (ZaB) research tunnel with millimeter resolution. The data has been automatically registered during the acquisition process within the instrument. After applying multistation adjustment, a block adjustment postprocess step, the high accuracy of the point cloud with respect to a network of 35 retroreflective bireflex targets has been approved. For further applications such as analysis, simulation, or visualization, a homogeneous 3D-meshed surface model has been created automatically from the point cloud representing an as-built 3D documentation of the tunnel.

Digitalisierung des “Zentrum am Berg” Forschungstunnels - Vom Laserscan zum Triangulations-Modell in einem Tag
Vor wenigen Jahren noch undenkbar, ist die präzise Laserscanning-Vermessung eines kilometerlangen Tunnels an einem Tag durch einen Operator möglich geworden. In diesem Beitrag wird beschrieben, wie 261 Scans mit einem RIEGL VZ-400i Laserscanner gemacht wurden, um den “Zentrum am Berg” (ZaB) Forschungstunnel mit Millimeterauflösung zu digitalisieren. Die Daten wurden während des Erfassungsprozesses automatisch im Gerät registriert. Nach Anwendung des Multi Station Adjustment, einem Postprozessschritt zur Blockausgleichung aller Scanpositionen, wurde die hohe Genauigkeit der Punktwolke in Bezug auf ein Netz von 35 retroreflektierenden “Bi-Reflex-Zielen” bestätigt. Für weitere Anwendungen wie Analyse, Simulation oder Visualisierung wurde aus der Punktwolke automatisch ein homogenes 3D-Netz-Oberflächenmodell erstellt, welches einen 3D-Bestandsplan des Tunnels darstellt.

When designing and constructing a tunnel in an urban setting with the use of a closed face Tunnel Boring Machine (TBM), the objective is to ensure both the tunnel face stability and the control of induced ground deformations within predefined, acceptable limits. Unless the exerted active face pressure will match the in situ ground stresses, there will be ground deformations taking place in the advance core, i.e., face extrusion and pre-convergence, resulting in settlements or heave for active pressure lower or higher than the in situ stresses, respectively. This article presents the validation through finite element method (FEM) of an analytical methodology that can be applied on soft ground urban tunnels to assess the level of active face support to be considered in numerical analysis, to ensure elastic relaxation in the advance core and thus effective ground deformation control. The methodology combines the classic Anagnostou and Kovari method with the Convergence-Confinement method for face support proposed by Aristaghes and Autuori. In the current article, the methodology is described in detail and subsequently validated through three-dimensional FEM analyses. The article concludes with a discussion on the results and the applicability range of the methodology.

In the operating phase of a road tunnel, not only maintaining or increasing the availability in the network but the economic optimization regarding the life cycle costs of the structure are also important priorities. A consistent application of the Building Information Modelling (BIM) methodology can theoretically make a useful and targeted contribution, as it provides a complete digital model of the structure with all installed elements and the information required for the operator tasks. In the research project FE https://doi.org/15.0623/2016/RRB “Building Information Modeling (BIM) in Tunneling, ” the Institute of Tunneling and Construction Management and the Institute of Computing in Engineering (both Ruhr University Bochum) in cooperation with BUNG Ingenieure AG developed the basics for a BIM-based operating model of road tunnels with funding from the Federal Highway Research Institute commissioned by the Federal Ministry of Transport and Digital Infrastructure. In the article, the results of the research are presented on the basis of specific use cases of a BIM-based operation and maintenance management.

Verwendung von BIM für eine optimierte Tunnelbetriebsphase: Herangehensweise, Informationsanforderungen und exemplarische Implementierung
In der Betriebsphase eines Tunnelbauwerks stellen die Aufrechterhaltung bzw. die Erhöhung der Verfügbarkeit im Netz sowie die ökonomische Optimierung im Hinblick auf die Lebenszykluskosten des Bauwerks wichtige Prioritäten dar. Eine konsequente Anwendung der BIM-Methodik (“Building Information Modeling”) kann dabei theoretisch einen sinnvollen und zielgerichteten Beitrag leisten, da hierdurch ein vollständiges digitales Modell des Bauwerks mit allen verbauten Elementen und den für die Betreiberaufgaben notwendigen Informationsgrundlagen zur Verfügung gestellt wird. Im Rahmen des Forschungsprojekts FE https://doi.org/15.0623/2016/RRB “Building Information Modelling (BIM) im Tunnelbau” wurden mit Förderung der Bundesanstalt für Straßenwesen im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr und digitale Infrastruktur vom Lehrstuhl für Tunnelbau, Leitungsbau und Baubetrieb und vom Lehrstuhl für Informatik im Bauwesen (beide Ruhr-Universität Bochum) in Zusammenarbeit mit der BUNG Ingenieure AG die Grundlagen für ein BIM-basiertes Betriebsmodell von Straßentunneln entwickelt. Im Beitrag werden die Untersuchungsergebnisse anhand konkreter Anwendungsfälle eines BIM-basierten Betriebs- und Erhaltungsmanagements dargestellt.

The practical application of accurate design and coordination in Building Information Modeling (BIM) environment for precast rings in Tunnel Boring Machine (TBM)-bored tunnels is becoming more achievable. These rings, made up of individual segments, are subject to many constraints which include: 1) deviations from theoretical alignment, as modeling the straight centerline of a ring into a curved alignment naturally produces minor deviations in line and grade, 2) avoiding crucifix joints when the joints between segments align in the longitudinal direction, reducing sealing performance, 3) and TBM shield design by minimizing the diameter of the TBM to reduce overcut and required backfill. This article describes the automated procedures for developing our design intent in the BIM environment with consideration for ring length optimization in tunnel curves, geometrical analyses of the staggered pattern of joints, and the minimum diameter and overcut envelope of the TBM shield. This procedure is demonstrated in multiple light-rail transit lines in Montréal including the Réseau Express Métropolitain (REM) airport link tunnel and the expansion of the Montreal Blue Line Metro. Virtual build of these segmentally lined tunnels negotiating all straight and curved drives of the alignment with BIM modeling is realized and summarized in this article.

In the past decades, Norwegian tunnelling has undertaken a major digital development in all operations from planning to the excavation phase. The breakthrough is driven by digital contract requirements from forward-leaning clients and innovative industrial stakeholders, aiming for ever more efficient, quality-oriented and risk-reducing operations. A formal milestone documenting this development was the publication of Digitalisation in Norwegian Tunnelling in 2019. From 2019, most contracts of new infrastructure tunnels must deliver a level 3 Building Information Modeling (BIM) model. Control systems for drilling jumbos are fully digitalised. All drilling must be monitored and documented with Measurement While Drilling techniques. Via cloud servers, the drilling information is interpreted and delivered live to face engineers for decision support. Sensors are used to monitor rock grouting flow and pressure in each drill hole. Digital electronic detonators with exact delay time are used for blasting. Geotechnical mapping is carried out on field tablets. High-resolution scans with RGB imaging must be carried out on the exposed rock surface and after rock support/linings. The next step is to utilise all the collected data to a higher degree by advanced analysis with machine learning (ML) and similar techniques for automation and optimisation. This study reviews and exemplifies the digital focus and achievements in core operations in Norwegian tunnel excavation.

Digitalisation in the construction industry has been progressing continuously and bringing major changes for everyone involved in virtually all areas. Austrian Federal Railways ÖBB has been pushing BIM (Building Information Modelling) for the construction and rehabilitation of their infrastructure. By means of various pilot projects, the basics and the processes required for design and construction are developed and applied with a strong focus on system operation. For Granitztal tunnel and a total length of ≈6.1 km, the as-built design of the civil structures is done with an element-based, open BIM model. As part of the handover to the maintenance and operation division, the data of civil structures relevant for operation are derived from the BIM model, validated by means of automatic methods and transferred to the facility management system (AVS, Anlagen-Verzeichnis-System). In the absence of an IFC (Industry Foundation Class) structure tunnel, a semantic and spatial data structure is developed. Furthermore, the model will be enriched with components of railway equipment. On the other hand, there is the over-100-year-old Karawanks tunnel as part of the railway section between Villach and Jesenice. The line has been in operation since 1906 and includes the ≈8 km-long, single-tube Karawanks tunnel. The current situation of the tunnel including the superstructure and technical equipment no longer meets performance, safety and durability requirements and is being rehabilitated within an international cooperation project between Austria and Slovenia. The focus in this BIM project is set on the as-built design and merging data of the existing historic tunnel structure with information of new components implemented during refurbishment. A core task is the structured transfer of data contained in the BIM model to the facility/asset management system of ÖBB (AVS) and the Slovenian infrastructure operator. The case histories of Granitztal tunnel and Karawanks tunnel are used to describe the implementation of BIM, including the development of required data structures, validation mechanisms and data delivery to the asset management.

The construction phase of underground railway stations executed with top-down method is often susceptible to a considerable number of interferences. The interference between the excavation of the Florence high-speed station and tunnels' execution is a critical element of the Florence underpass project, which foresees the simultaneous construction of the two infrastructures. The project's complexities and the interference between the various construction phases have been studied and resolved by developing the entire project in a Building Information Modeling (BIM) environment. In particular, the implemented four-dimensional (4D) BIM model managed to simulate the possible macrophases and identify an optimal construction solution or, at least, the crucial actions to be taken to ensure the simultaneous construction of the station and tunnels. The 4D BIM model allowed an accurate simulation of the specific critical construction phases by identifying spatial interferences between completed works, temporary structures, and overlapping interventions. Consequently, it was possible to adopt appropriate technical solutions and develop a reliable work plan. In addition, it was possible to verify the potential scenarios of the TBM passage through the excavated station, which allowed to foresee some specific interventions needed to ensure works' continuity. The BIM methodology also allowed to find optimal solutions in a reasonable time, preventing a significant use of resources.

Tunnels are significant in shaping our future infrastructure. Increasing limitations of the available ground require underground solutions for future infrastructure projects. Due to various reasons, boundary conditions for project realization are becoming more and more substantial, and the parties involved have to tackle a wide range of stakeholders' interests. Digitization may be able to handle some of these challenges and is one of the most relevant topics in the near future of the construction industry. First approaches of digital data capturing in different activity fields of project execution, such as geological and geotechnical conditions, survey, and reporting, are launched within Implenia's initiative. This article discusses essential aspects of data capturing, particularly in the light of the vast data volumes generated throughout tunnel construction in Europe and gives an insight into the various activities of Implenia on how to tackle these problems. The various TBM and drill-and-blast excavated tunnel projects illustrate the variability of data management and implemented solutions to work with the tremendous amount of data. In each case, one can clearly state that construction teams involved in digital data management highly appreciated the merits for their daily business: saving time, gaining transparent information, controlling processes, and more. The beneficial capability of appropriate data management in project execution is evident and will be carried out within Implenia's projects.

Machine Learning (ML) and Building Information Modelling (BIM) are two topics that are part of a revolutionizing transformation in the construction industry - commonly referred to as digitalization. Being part of the research for artificial intelligence (AI), most of today's ML applications deal with computational processes that try to make sense of data. Automatic rockmass behaviour classification based on tunnel boring machine (TBM) data or tunnel construction site surveillance via closed-circuit television (CCTV) analysis is an example for applications of ML in tunnelling. BIM describes a new type of planning, including model-based collaboration and information exchange, which requires well-organized storage and handling of data - a precondition and valuable source for any automated analysis method like ML. While other sectors of the construction industry have implemented BIM systems successfully, the development in underground engineering is currently at its beginning with multiple actors working towards common standards for semantics, data exchange formats, etc. This article seeks to combine the two fields by giving an overview of the two topics and then points out four potential fields of applications: semantic enrichment and labelling, automation of technical processes, knowledge derivation and online data analysis.

In Norwegian drill and blast tunnelling, contracts stipulate collecting Measurement While Drilling (MWD) data from all drillholes. The MWD approach is an objective way of collecting, processing and visualising advance drilling data that have been successfully used in making face decisions for many years in Norwegian tunnelling. MWD data collection consists of equipping drill rigs with sensors recording different drilling parameters, with subsequent near real-time data processing for access by on-site personnel and face engineers in decision-making process. A deficiency in the MWD approach is still the subjective data interpretation necessary to translate visualised data into actual face decisions. Digital scepticism and a lack of digital knowledge are other obstacles in automating the process from data interpretation to decisions. Thus, MWD data are sometimes only used for nice visualisations and as-built documentation. This study proposes machine learning (ML)-based methods to characterise the rock mass from sensor data using data from five twin-tube tunnels in a Norwegian highway project. Results show that the deep learning-based method - convolutional neural network - is capable of translating complex patterns in MWD data to functional rock mass characterisation, thereby aiding face engineers with data analysis. The study is, to our knowledge, the first known attempt to use deep learning-based computer vision techniques to interpret MWD data framed as images.

The installation of pipe umbrella systems is a complex process that requires well-trained machine operators and installation crews. Due to project and time constraints, adequate operator training in a safe environment without risk of personnel accidents or machine damage often falls victim to cost cuts. Previously, this shortcoming has been compensated by the deployment of selected expert personnel to respective tunnel projects for a certain period. This practice is, however, limited to availability of expert personnel and associated with high travel costs and significant waiting time on-site. Virtual reality (VR) simulator-based trainings have become state-of-the-art in underground construction. They provide enhanced occupational safety by conducting virtual training before commencing works in the tunnel, increased operator performance, and improved installation cycle times. In addition to basic training, the VR simulator can be used for assembly and commissioning, maintenance, as well as refresher trainings and ongoing just-in-time support. Around mid-2019, DSI Underground initiated the development of a realistic and authentic scenario-based VR simulator for the AT - Pipe Umbrella System. This training tool also includes extensive theory background supported by a series of video modules illustrating best underground work practices. This article illustrates the background and development plan of the VR simulator and the implementation based on use cases.

Virtual-Reality-Simulator für das Rohrschirmbohren
Der Einbau von Rohrschirmsystemen ist ein komplexer Prozess, der geschultes Personal erfordert. Zeitmangel und projektspezifische Gegebenheiten schränken oftmals die erforderliche Zusatzausbildung des Tunnelpersonals in einem sicheren Umfeld ein bzw. führen zu deren Streichung. In der Vergangenheit wurde dieses Defizit oftmals durch den zeitlich begrenzten Einsatz von Anwendungstechnikern kompensiert. Die Planung dieser Einsätze war an die Verfügbarkeit von Experten gekoppelt und mit hohen Reisekosen und Wartezeiten auf der Baustelle verbunden. Schulungen unter Einsatz von Virtual Reality (VR) Simulatoren gewährleisten eine deutliche Erhöhung der Arbeitssicherheit vorab der eigentlichen Anwendung unter Tage. Ein weiterer Hauptvorteil ist die deutliche Verbesserung der Leistung der Maschinenbediener. Ergänzend zu Schulungszwecken können VR Simulatoren auch für den Zusammenbau, die Inbetriebnahme, die Wartung, Auffrischungslehrgänge sowie kurzfristige Kundenunterstützung eingesetzt werden. DSI Underground hat Mitte des Jahres 2019 den Entwicklungsprozess eines praxisnahen und authentischen VR Simulators für das AT - Rohrschirmsystem begonnen. Dieses Schulungsinstrument beinhaltet weiters ausführliche theoretische Trainingsmodule, unterstützt durch Videos mit bewährten Praxistipps. Diese Veröffentlichung beschreibt den Projekthintergrund sowie den Entwicklungsplan, und illustriert die Markteinführung auf der Basis von Referenzprojekten.

Geothermal energy applications are seen as one key element for a successful heat transition in Bavaria. But there are still some barriers for a further development. To minimize these barriers the joint research project Geothermal Alliance Bavaria (GAB) is established. One important issue to foster the implementations of geothermal projects is the assessment of geothermal load prediction in the South German Molasse Basin (SGMB). This includes, aside from a reservoir temperature prognosis, an accurate description of the hydraulic properties of the Upper Jurassic Malm reservoir. Hydraulic test analyses are conducted in the framework of the GAB to obtain specific information about the hydraulic productivity of the reservoir. Results from these analyses show a decrease of rock permeability in southern direction within the reservoir. Because the spatial distribution of hydraulic test data is limited, the porosity of the reservoir is assessed by borehole core tests and logs interpretation. A trend of matrix porosity decrease with depth is recognised and correlates with the hydraulic test results. Based on these findings and combined with further information the Upper Jurassic reservoir could be classified in separated zones of similar production rates, which can now be used for a thermal output prognosis for the Bavarian part of the SGMB. To spatially expand these prognoses more data must be investigated in the next research phase of the GAB.