The determination of the alignment of the Gotthard Base Tunnel made sure not to tunnel directly under the dams of the Vorderrhein AG power stations. The Gotthard Base Tunnel will, however, have to be driven through the zone, which could affect the three arch dams at Nalps, Santa Maria and Curnera.
The Zeuzier dam in Wallis (Valais) suffered severe damage in 1978 as the result of drainage of the rock mass for an investigation tunnel being driven in the vicinity. The cracks in the dam led to years of operational limitations and required extensive repair works.
A whole range of measures was undertaken for the Gotthard Base Tunnel in order to avoid a repetition. The construction of the tunnel near the dam was the subject of years of preparatory work. Since the end of 2005, the southward drive from Sedrun has been near the Nalps dam and since the middle of 2009, that from Faido has been within the zone influencing the Santa Maria dam. Long-term safe operation of both dams has to be ensured despite the near approach of the tunnelling works. Although the task is the same for both dams, completely different solutions were chosen. The following paper explains the reasons for this
Bei der Festlegung der Linienführung für den Gotthard Basistunnel wurde darauf geachtet, dass die Stauanlagen der Kraftwerke Vorderrhein AG nicht direkt unterfahren werden. Der Gotthard Basistunnel muss jedoch im Einflussbereich der drei Bogenstaumauern Nalps, Santa Maria und Curnera vorgetrieben werden.
Die Staumauer Zeuzier im Wallis erlitt im Jahr 1978 als Folge der Gebirgsentwässerung eines in der Nähe vorgetriebenen Sondierstollens schwere Schäden. Die Risse in der Mauer führten zu jahrelangen Betriebseinschränkungen und lösten umfangreiche Sanierungsmaßnahmen aus.
Am Gotthard Basistunnel wurde somit eine ganze Anzahl von Maßnahmen getroffen damit ein solcher Zwischenfall sich nicht wiederholt. In jahrelangen Vorarbeiten wurde der Tunnelbau in der Nähe der Stauanlagen vorbereitet. Seit Ende 2005 befindet sich der von Sedrun ausgeführte Südvortrieb im Bereich der Stauanlage Nalps und seit Mitte 2009 jener von Faido aus im Einflussbereich der Stauhaltung Santa Maria. Bei beiden Mauern muss langfristig ein sicherer Betrieb der Stauanlagen, unter Berücksichtigung des in der Nähe vorgenommenen Tunnelvortriebs, gewährleistet werden. Obwohl die Aufgabenstellung in beiden Fällen identisch war, wurden schließlich für die zwei Mauern zwei komplett unterschiedliche Lösungsansätze gewählt. Der nachfolgende Beitrag zeigt die Gründe dazu auf.

In pressure tunnel construction, the crack water table plays a varied role, often important and decisive with regard to technology, safety, cost-effectiveness and environmental relevance. This paper is concerned with the crack water table and its natural range of fluctuation, with the relaxation of crack water pressure due to tunnelling, the interaction between internal tunnel pressure and crack water as it affects lining and waterproofing and the influence of the crack water by the operation of the tunnel.
Im Druckstollenbau spielt der Bergwasserspiegel eine vielfältige und hinsichtlich Technik, Sicherheit, Wirtschaftlichkeit und Umweltrelevanz eine wichtige und oft entscheidende Rolle. Der Beitrag beschäftigt sich mit dem Bergwasserniveau und seiner natürlichen Schwankungsbreite, mit der Bergwasserentspannung durch den Vortrieb, mit dem Zusammenwirken von Stolleninnendruck und Bergwasser im Hinblick auf Auskleidung und Abdichtung sowie mit der Beeinflussung des Bergwassers durch den Betrieb des Druckstollens.

At the end of June 2009, a period of heavy rainfall set in the Austrian state of Steiermark (Styria), which in addition to widespread flooding on the scale of a disaster also caused an unusually large number of landslides. These mass movements affected southeast Styria worst. This was not only due to the concentration of precipitation in the area, but also the particular geological conditions, which are especially favourable for landslides. The landslides severely affected not only agricultural areas but also transport and utility infrastructure so that in the Feldbach district, located in the middle of this area, a state of emergency had to be declared and maintained for several weeks.
Ende Juni 2009 setzte in der Steiermark eine Starkregenperiode ein, die neben zahlreichen Hochwasserüberschwemmungen im Katastrophenausmaß auch eine außerordentlich große Anzahl von Hangrutschungen auslöste. Von diesen Massenbewegungen war hauptsächlich die Südoststeiermark betroffen. Dies lag nicht nur an der Konzentration der Niederschläge in diesem Bereich der Steiermark, sondern auch an den besonderen geologischen Verhältnissen, die Rutschungserscheinungen besonders begünstigen. Von diesen Hangrutschungen waren nicht nur landwirtschaftliche Kulturen, sondern auch Verkehrs- und Leitungsinfrastruktur schwer beeinträchtigt, sodass im Bezirk Feldbach, der im Zentrum dieses Bereiches liegt, der Katastrophenzustand ausgerufen werden musste und über mehrere Wochen aufrecht erhalten blieb.

The reservoir Gmünd with a capacity of approximately 900,000 m3 is located about 10 km west of the village of Gerlos. The reservoir is connected with the power house Gerlos in the Zillertal, having a head of about 610 m. For increase of power from 65 to 200 MW the power house Gerlos was extended and the flow rate of the adapted power tunnel was raised from 14 to 42 m3/s maximum. The effect of the higher draw-down rates on the reservoir slopes has been tested in September 2004 with a highspeed draw-down with rates up to 5 m/h. As a result of this trial a landslide with an estimated volume of 10,000 m3 occurred on the Graseggerhang. The landslide showed the necessity of an effective slope stabilization of the Graseggerhang for a continuous unlimited reservoir management in the future. After a comprehensive investigation it was decided to build in a supporting fill, consisting of rock mass of a maximum grain size of 65 cm. The support fill wit h a volume of about 100,000 m3 was built in from October to December 2006 and the operation of the power plant Gerlos II started directly afterwards. For the long term surveillance of the support fill one inclinometer and several geodetic measuring points have been installed.
Der Speicher Gmünd mit einem Speicherinhalt von ca. 900.000 m3 liegt etwa 10 km westlich der Ortschaft Gerlos. Über das im Zillertal gelegene Kraftwerk Gerlos wird dieser Speicher mit einer Fallhöhe von ca. 610 m abgearbeitet. Zur Umsetzung einer Leistungserhöhung von 65 auf 200 MW wurde das Krafthaus Gerlos erweitert und mit einer angepassten Triebwasserleitung die Abbauwassermenge von 14 auf maximal 42 m3/s erhöht. Zur Untersuchung der Auswirkungen der daraus resultierenden höheren Absenkgeschwindigkeiten wurde im September 2004 ein Schnellabsenkversuch mit maximalen Absenkraten von bis zu 5 m/h durchgeführt. Im Zuge der Staulegung wurde eine Rutschung mit einem geschätzten Volumen von ca. 10.000 m3 am Graseggerhang ausgelöst. Daher wurden umgehend Überlegungen für eine wirkungsvolle Sanierungsmaßnahme der betroffenen Speicherböschung angestellt, um auch zukünftig eine uneingeschränkte Speicherbewirtschaftung zu garantieren. Nach einer umfassenden Untersuchung wurde als Sanierungsvariante eine Stützschüttung bestehend aus Felsmaterial mit einem Größtkorn von 65 cm ausgewählt. Die Stützschüttung mit einem Volumen von rund 100.000 m3 wurde von Oktober bis Dezember 2006 eingebaut und daran anschließend der Kraftwerksbetrieb wieder aufgenommen. Für die Langzeitüberwachung der Stützschüttung wurden ein Inklinometer sowie mehrere geodätische Messpunkte installiert.

Currently the reservoir of Ermenek dam is gradually filling. Impounding started already during construction of the 218 m high concrete arch dam located in karstified limestone. Actually the reservoir level has reached approximately 65 % of its final height. The grout curtain alignment was changed and shortened during project execution to a still remarkable total length of 2.2 km in order to anchor the curtain in the impermeable underlying flysch rocks. The single row curtain was upgraded to a double and partly triple row curtain in the vicinity (200 m) of the dam. Within the present contribution the dam monitoring system is described, the observed groundwater pressure conditions correspond to design assumptions and the treatment of local deviations is discussed.
The gradual filling of the reservoir banks is recorded with great care and interest in order to check reservoir and grout curtain tightness. Stepwise interim evaluations confirm reservoir tightness. Total water inflow from drainage holes to the grouting galleries amounts to∼30 l/s, but the inflow is concentrated in zones accompanying fault F2. The elevation of the groundwater level downstream of the curtain is ∼50 % of upstream pressure which is higher than expected. In the close vicinity of the dam, where a triple row grout curtain and an additional drainage curtain was executed, the downstream water pressure is below 25 % of the upstream water level. In order to improve the conditions in areas with high seepage and pressure different grouting measures with focus on curtain and link holes are carried out with higher pressure than previously applied.
Other observations like groundwater temperature measurements and ongoing execution of dye test are reported as well; although not all final conclusions can be drawn at the moment as impounding is still going on.

Three tunnels in the Perschling tunnel chain were driven successively by one TBM-S. In the course of the first two drives, there were many situations when the TBM-S without active face support was at the limits of its capabilities. The last tunnel to be driven was the Raingruben Tunnel with a length of 2,100 m. Based on the experience from the first two tunnels, advance ground improvement measures like grouting and groundwater lowering were undertaken in areas expected to be difficult. The measures meant that the drive could pass through the problem zones successfully. After about two thirds of the tunnel length under about 40 m of overburden, there were repeated collapses of the face. These reached a sudden peak with a major collapse of the face with an overbreak 34 m high above the crown, which extended almost to the surface. This blocked the cutterhead and the drive was stopped for five months. Various measures were undertaken in many stages to permit the TBM to restart. On account of the ground improvement works carried out from the surface, the remaining stretch was successfully bored and the tunnel structures of the Perschling chain were completed on schedule.
Bei der Tunnelkette Perschling wurden hintereinander drei Tunnel von einer TBM-S aufgefahren. Im Zuge der ersten beiden Vortriebe kam es zu mehreren Situationen im Grenzbereich der Anwendung einer TBM-S ohne aktive Ortsbruststützung. Als letzter Tunnel wurde der Raingrubentunnel mit einer Vortriebslänge von 2.100 m aufgefahren. Auf Basis der Erkenntnisse und Erfahrungen aus den ersten beiden Tunnelvortrieben wurden im Vorfeld gebirgsverbessernde Maßnahmen wie Injektionen und Grundwasserabsenkungen in vermutlichen Problembereichen durchgeführt. Aufgrund dieser Maßnahmen konnte der Vortrieb die Problemzonen erfolgreich durchörtern. Nach rund zwei Dritteln der Vortriebsstrecke bei rund 40 m Überlagerung kam es jedoch vermehrt zu Ortsbrustverbrüchen. Diese gipfelten schließlich in einem größeren Ortsbrustverbruch mit einem 34 m hohen Überbruch in der Firste, der knapp unter die Oberfläche reichte. Dadurch wurde der Bohrkopf blockiert, und der Vortrieb stand für fünf Monate still. In weiterer Folge wurden verschiedene Maßnahmen durchgeführt, die das Wiederanfahren der TBM in mehreren Schritten ermöglichten. Aufgrund der durchgeführten Bodenverbesserung von über Tage aus konnte der restliche Vortriebsbereich mit der TBM-S erfolgreich aufgefahren werden und ermöglichte die zeitgerechte Gesamtfertigstellung des Rohbaus der Tunnelkette Perschling.

The article explains the interaction of the overall system of ground, TBM and segment lining based on recent experience of projects using TBMs with active face support in Austria and abroad. The alternating dependencies and their consequences for tunnel construction are discussed in more detail. Of particular interest is the influence of the support medium and how it functions at the face and the tunnel side walls. The interaction of support pressure, thrust force and the centre of gravity of the TBM and its effect on steering behaviour are also considered. The effects of the compression of the segment tube by the TBM (prestress) are considered in relation to the improvement of the bedding and the problem of floating.
Der Beitrag beleuchtet die Interaktion des Gesamtsystems “Untergrund - Tunnelvortriebsmaschine - Tübbingausbau” basierend auf aktuellen Erfahrungen zuletzt realisierter Projekte im In- und Ausland bei TVM-Einsätzen mit aktiver Ortsbruststützung. Dabei wird insbesondere auf die wechselweisen Abhängigkeiten und deren Auswirkungen auf die Tunnelherstellung eingegangen. Ein Schwerpunkt liegt beim Einfluss des Stützmediums und der zugehörigen Wirkungsweise an der Ortsbrust und der Tunnellaibung. Berücksichtigung findet die Wechselwirkung von Stützdruck, Vortriebskraft und der Schwerpunktlage der TVM auf deren Steuerverhalten. Die Auswirkung des Zusammendrückens der Tübbingröhre durch die TVM (Vorspannung) wird in Bezug auf die Bettungsverbesserung und die Problematik des Aufschwimmens betrachtet.

NTPC Ltd. of India is presently constructing the 520 MW (4 x 30 MW) Tapovan-Vishnugad hydroelectric power plant in Uttarakhand in the Himalayas. As part of this project, an approximately 12.1 km head race tunnel (HRT) is to be constructed, of which approximately 8.6 km are being excavated by DS-TBM with an excavation diameter of 6.575 m. Construction of this HRT has been awarded to a Joint Venture (JV) of Larsen, Toubro Ltd., India, and Alpine, Austria. Geoconsult ZT GmbH is acting as a Consultant to NTPC Ltd. for the TBM part of the HRT. The overburden above the tunnel is up to 1, 100 m with the result that knowledge of the geology along the HRT alignment could only be based on projections made from surface exposures available in the area. Basically, the ground consists of jointed quartzite, gneiss and schist. Excavation of the HRT started in October 2008 and excavation rates of over 500 m per month were achieved in November 2009. However, in December 2009 the TBM encountered a fault zone along with high-pressure water inflow and became trapped. This paper outlines the present status of HRT construction and describes in particular the difficulties encountered during TBM excavation in fault zones with large high-pressure water inflows and how these problems are being dealt with.
Die indische Firma NTPC Ltd. errichtet derzeit das 520 MW (4 x 130 MW) Tapovan-Vishnugad Wasserkraftwerk in Uttarakhand, Himalaya. Als Teil dieses Projekts wird ein ungefähr 12,1 km langer Triebwasserstollen (TWS) errichtet, wobei rund 8,6 km davon mittels einer DS-TBM mit einem Ausbruchdurchmesser von 6.575 m aufgefahren werden. Der Bau dieses Triebwasserstollens wurde an die Arbeitsgemeinschaft Larsen, Toubro Ltd., Indien, und Alpine, Österreich vergeben. Geoconsult ZT GmbH fungiert als Berater von NTPC Ltd. für den TBM-Teil des TWS. Aufgrund der Überlagerung des Tunnels von bis zu 1,100 m konnte die Geologie entlang des Triebwasserstollens nur durch Projektion von vorhandenen Oberflächenaufschlüssen aus der Umgebung bestimmt werden. Das Gebirge besteht hauptsächlich aus geklüftetem Quarzit, Gneis und Schiefer. Der Ausbruch des TWS begann im Oktober 2008. Im November 2009 wurde eine Vortriebsgeschwindigkeit von über 500 m pro Monat erreicht. Im Dezember 2009 jedoch fuhr die TBM eine Störzone mit einem Hochdruckwassereinbruch an, wodurch die TBM stecken blieb. Dieser Artikel skizziert den derzeitigen Stand des TWS und legt besonderes Augenmerk auf die Schwierigkeiten beim Auffahren der Störzone inklusive Hochdruckwassereinbruch mit einer TBM. Darüber hinaus wird gezeigt, wie sich die auftretenden Probleme lösen lassen.

Statistical investigations of TBM data and rock parameters have shown that interactions determined theoretically or in the laboratory are often not realistic because the interaction of the machine with the rock mass is considerably influenced by the type of machine in use, the machine driver and the characteristics of the rock mass. Evaluations of excavation data have shown that the maximum net advance rate is not produced by the maximum thrust force, even in the same rock type. Individualised optimisation of the interaction on the basis of continuously recorded machine data and basic information about the rock mass (type of rock, degree of jointing), which can be determined by geological and geophysical investigations during tunnelling, is therefore of particular significance for economical tunnelling. The evaluation of these data should not replace but rather supplement the control of the machine by the driver.
Die statistischen Untersuchungen von TBM-Daten und Gebirgskennwerten haben gezeigt, dass im Labor oder theoretisch ermittelte Zusammenhänge in der Realität oft nicht gegeben sind, weil die Interaktion Maschine-Gebirge stark von der eingesetzten Maschine, der Fahrweise des Maschinenführers und dem jeweiligen Gebirge beeinflusst wird. So haben Auswertungen von Vortriebsdaten gezeigt, dass auch in der gleichen Gebirgsart die maximale Nettovortriebsgeschwindigkeit nicht bei maximaler Anpresskraft auftritt. Der individuellen Optimierung der Interaktion auf Basis von laufend erhobenen Maschinendaten und von Basisinformationen über das Gebirge (Gesteinsart, Zerlegungsgrad), die durch geologische und geophysikalische Untersuchungen während des Vortriebs erhalten werden können, kommt daher in Bezug auf einen wirtschaftlichen Vortrieb besondere Bedeutung zu. Die Auswertung dieser Daten soll die Steuerung durch den Maschinenführer nicht ersetzen sondern unterstützen.

The paper reports on the current status of work on the conventionally excavated Mauls Tunnel and the mechanically bored Aicha Tunnel and presents the results of the geological, hydrogeological and geotechnical documentation. The knowledge gained from the investigation works will have great significance for the design and the implications for the construction of the main bores of the Brenner Base Tunnel. The example of the failure in the Aicha Tunnel is used to describe the measures to find the cause and the consequences for risk management are explained.
Der Beitrag berichtet über den aktuellen Stand der Bauarbeiten am konventionell aufgefahrenen Tunnel Mauls und dem maschinell aufgefahrenen Tunnel Aicha und stellt die Ergebnisse der geologischen, hydrogeologischen und geotechnischen Dokumentationen vor. Hinsichtlich der Auswirkungen auf das Design und der Folgerungen für den Bau der Hauptröhren des Brenner Basistunnels sind die bisher gewonnenen Erkenntnisse aus den Erkundungsarbeiten von sehr wesentlicher Bedeutung. Am Beispiel eines Schadensfalls im Tunnel Aicha werden Ergebnisse der Maßnahmen zur Klärung der Schadensursache vorgestellt und Auswirkungen auf das Risikomanagement erläutert.

Continuous tunnelling in rock under deep overburden necessitates - particularly when a tunnel boring machine (TBM) with shield is used - extensive consideration of the processes of stress transfer resulting from the advance of the tunnel. In order to design the constructional layout of the TBM, it must be possible to estimate the actions to be expected on the cutterhead, shield skin and shield tail.
Proven analytical calculation methods like the convergence confinement method are still in common use because of their simple application and deliver reliable results for the loading on the tunnel lining, but the variable equilibrium in the advance area is not sufficiently taken into account, although of decisive significance for the determination of the possible loading on the TBM - and thus for the assessment of the feasibility of the tunnelling method - and so a method is required, which can take this into account.
This paper starts with analytical and empirical modelling methods and describes ways of extending them and their scope of application. Rotationally symmetrical modelling methods, which are manageable in practice, are presented and their possible applications are explained. A particular feature is the possibility of simulating rapidly changing rock conditions, such as are encountered when tunnelling through fault zones.
Kontinuierliche Vortriebe im Fels unter hohen Überlagerungsverhältnissen erfordern - insbesondere im Hinblick auf den Einsatz von Tunnelbohrmaschinen (TBM) mit Schild - eine umfassende Betrachtung der vortriebsbedingten Spannungsumlagerungsprozesse. Dabei muss für eine zielgerichtete konstruktive Auslegung der TBM eine Einschätzung der zu erwartenden Einwirkungen im Bereich des Bohrkopfs, des Schildmantels und im Bereich des Schildschwanzes erfolgen.
Bewährte analytische Berechnungsmethoden wie Gebirgskennlinienverfahren sind auch heute aufgrund deren einfachen Anwendbarkeit noch weit verbreitet und liefern zuverlässige Ergebnisse für die Belastung der Tunnelauskleidung. Das veränderliche Gleichgewicht im Vortriebsbereich wird dabei aber ungenügend betrachtet. Dies ist jedoch für die Bewertung der möglichen Belastungen auf die TBM - und damit für die Bewertung der Machbarkeit des Vortriebs - von entscheidender Bedeutung und bedarf daher einer angemessenen Berücksichtigung.
Im Beitrag werden ausgehend von analytischen und empirischen Modellansätzen deren Erweiterungsmöglichkeiten und Anwendungsgrenzen aufgezeigt. Weiter werden in der Praxis gut handhabbare rotationssymmetrische numerische Modellvorstellungen vorgestellt und deren Anwendungsmöglichkeiten veranschaulicht. Insbesondere wird auf die Simulationsmöglichkeiten von rasch wechselnden Gebirgsverhältnissen eingegangen, wie sie bei der Durchörterung von Störungszonen auftreten.

“Swelling” is generally taken to mean the expansion of a rock due to water absorption. The main intention of this paper is to point out the significant difference between the swelling of clay and claystone (Tonstein) on one hand and the swelling of claystone and marl containing anhydrite on the other. In the opinion of the author, these differences are so large that they should be described as different phenomena. Leopold Müller has already proposed the introduction of different German terms: “Quellen” for clay and “Schwellen” for anhydrite. Unfortunately, this terminology has not caught on, probably because the word swelling is used in English for both processes. The resulting merging has hindered research into anhydrite swelling for decades, and the development of calculation methods and technical solutions for tunnelling in anhydrite-bearing ground is still at an early stage. In contrast, the problem of clay swelling can be regarded as largely solved.
Unter “Quellen” wird ganz allgemein die Ausdehnung eines Gesteins infolge von Wasseraufnahme verstanden. Hauptanliegen des vorliegenden Beitrags ist es, auf die beträchtlichen Unterschiede zwischen Quellvorgängen in Ton und Tonstein einerseits und in anhydrithaltigem Ton- und Mergelstein andererseits hinzuweisen. Nach der Überzeugung des Autors sind die Unterschiede so groß, dass man eigentlich von zwei verschiedenen Phänomenen sprechen muss. Schon Leopold Müller hat deshalb getrennte Begriffe einzuführen versucht: “Quellen” für Ton und “Schwellen” für Anhydrit. Bedauerlicherweise hat sich diese Terminologie nicht durchsetzen können, vermutlich auch wegen der Verwendung des Worts “swelling” in der englischen Sprache für beide Vorgänge. Die damit verbundene Gleichsetzung hat jahrzehntelang die Erforschung des Anhydritschwellens behindert. Die Entwicklung von Rechenansätzen und von technischen Lösungen für Tunnel in Anhydritgestein befindet sich letztlich immer noch in einer Frühphase. Dagegen kann das Problem des Tonquellens als weitestgehend gelöst angesehen werden.

In some sedimentary rocks, the admission of water results in an expansion of volume, which results from the chemical conversion of anhydrite into gypsum (anhydrite swelling) or the physical adsorption of water in certain clay minerals (clay swelling). This expansion leads to heavy loading of the tunnel lining and has already caused significant damage to some structures. In addition, sulphate attack on the lining concrete can lead to softening due to the formation of ettringite. Damage can be in the form of shear failure, spalling or bending tension cracks. The location and nature of the damage, which depends on the location of the ground containing clay or anhydrite and susceptible to swelling, is illustrated with some examples. Numerical modelling is applied to demonstrate the load transfers, which lead to these phenomena. Recent attempts to counter the problem have been based on the strengthening of the lining (resistance principle) or by installing compressible zones between rock mass and lining (yielding principle). The design rules for each principle are explained.
Bei einigen Sedimentgesteinen ereignet sich bei Wasserzutritt eine Volumenzunahme, die eine Folge der chemischen Umwandlung von Anhydrit in Gips (Schwellen) oder der physikalischen Anlagerung von Wasser an bestimmte Tonminerale (Quellen) ist. Diese Volumenzunahme führt zu starken Beanspruchungen der Tunnelauskleidung und hatte bei einigen Bauwerken bedeutende Schäden zur Folge. Darüber hinaus führt ein möglicher Sulfatangriff auf den Auskleidungsbeton zur Entfestigung durch Ettringitbildung. Diese Schäden können Scherbrüche, Abplatzungen und Biegezugrisse sein. Ort und Art der Schäden in Abhängigkeit vom Ort der quellenden bzw. schwellenden Gebirgsbereiche werden anhand einiger Beispiele aufgezeigt. Mittels numerischer Untersuchungen wird ein Einblick in die Lastumlagerungen gegeben, die zu den genannten Phänomenen führen. In neuerer Zeit wurde versucht, den Schäden einerseits durch eine Verstärkung der Auskleidung (Widerstandsprinzip) und andererseits durch nachgiebige Zonen zwischen Gebirge und Ausbau (Nachgiebigkeitsprinzip) zu begegnen. Die Entwurfsgrundsätze für diese Prinzipien werden dargelegt.

Sulphatic claystones exhibit a heavily swelling behaviour and are among the most problematic rocks for tunnelling. Their swelling is usually attributed to the transformation of anhydrite to gypsum. The paper questions this simplistic hypothesis through a qualitative discussion of the processes underlying the phenomena that are observed macroscopically, and by identifying a series of fundamental issues that are important from the point of view of tunnel design. At the same time, it provides an overview of ongoing or recent research dealing with the swelling of sulphatic claystones and, more specifically, with the effects of chemical reactions and transport processes, the role of the clay fraction, the pressure dependence of swelling deformations and the possible effects of the seepage flow regime, including evaporation in the unsaturated zone.
Sulfathaltige Tonsteine weisen ein besonders starkes Quellverhalten auf und gehören zu den problematischsten Gesteinen beim Tunnelbau. Ihr Quellen wird üblicherweise auf die Umwandlung von Anhydrit zu Gips zurückgeführt. Der vorliegende Aufsatz diskutiert diese vereinfachende Hypothese, indem er die dem makroskopisch beobachtbaren Quellvorgang zugrundeliegenden Prozesse qualitativ behandelt und eine Übersicht über aktuelle Forschungsprojekte vermittelt. Dabei wird eine Reihe von Themen der Grundlagenforschung identifiziert, die auch von praktischer Bedeutung sind. Zu diesen gehören die Fragen nach dem Einfluss der chemischen Reaktions- und Transportvorgänge, der Rolle der Tonfraktion, der Druckabhängigkeit der Quellverformungen und der Bedeutung der Sickerströmung.

Rocks containing clay and anhydrite exhibit the property of increasing their volume by absorbing water. The paper first discusses the mechanisms causing swelling and outlines their effects on tunnels. Next the hazard scenario of heaving of the tunnel tube as a whole, the structural consequences of this and the concept of the Modular Yielding System for tunnelling in stretches where heave is unavoidable are discussed. Taking the case of the Chienberg road tunnel in Switzerland, the paper also reports on experience during construction and field measurements after putting the repaired sections into operation. Special attention is given to the technical aspects of yielding supports with cement as a basic constituent for loads up to 10 MN and a yielding capacity of up to 50 %.
Ton- und anhydritführende Gesteine haben die Eigenschaft, ihr Volumen durch Aufnahme von Wasser zu vermehren. Der Beitrag behandelt einleitend die Mechanismen, die den Quellvorgang auslösen und die Auswirkungen des Quellvorgangs auf Tunnel. Anschließend wird das Gefährdungsbild der Hebungen der Tunnelröhre als Ganzes, deren Folgen auf die Tragkonstruktion und das Konzept des modularen Knautschsystems] für den Tunnelbau in unvermeidbaren Hebungsstrecken erörtert. Am Beispiel des Chienbergtunnels in der Schweiz wird auch über Bauerfahrung und Feldmessungen nach der Inbetriebnahme der sanierten Strecken berichtet. Besondere Aufmerksamkeit wird den technischen Merkmalen von Knautschkörpern auf Zementbasis für Belastungen von bis zu 10 MN und einem Stauchvermögen von bis zu 50 % gewidmet.

Underground construction in rock prone to swelling behaviour may result in long-term problems, especially in the invert, if the structure cannot resist swelling pressures. Swelling phenomena are not only a consequence of ground conditions but are strongly influenced by excavation and construction procedures. Evidence of brittle failure observed in the field will be presented and analyzed to prove that brittle failure is the trigger effect of swelling phenomena in shale and clay-anhydrite rocks. Brittle fractures have also been observed in laboratory swelling tests. Brittle failure can create cracks that form pathways for water, leading to changes in the stress-state, and as a consequence trigger swelling phenomena. In clay-anhydrite rock, the swelling pressure is caused by the crystallization pressure of gypsum. The excavation and construction procedures used for the tunnel are a decisive factor for controlling swelling behaviour.
Quellvorgänge in Tongesteinen und Ton-Anhydritgesteinen führen oft zu langfristigen Problemen in Untertagebauten, insbesondere wenn der Ausbauwiderstand der Tragkonstruktion langfristig zu gering ist. Die Quellvorgänge, die besonders im Sohlbereich auftreten, sind nicht bloß eine Folge der Gesteinseigenschaften, sondern werden auch von den gewählten Bauvorgängen und der Tragkonstruktion beeinflusst. Sprödbruchvorgänge wurden in vielen Untertagbauten in Felsgesteinen mit geringer Festigkeit beobachtet. Deren Ursachen werden mit numerischen Modellen analysiert. Sprödbrüche wurden aber auch in Laborquellversuchen in Ton-Anhydritgesteinen, wo sich Gips bildete, beobachtet. Die unterschiedlichen Beobachtungen werden in einen gemeinsamen Rahmen zusammengefügt. Sprödbrüche führen zur Bildung von Rissen und damit von Wasserwegen. Weiter ergeben sich wesentlichen Änderungen des Spannungszustands um die unterirdische Öffnung, und als Folge dieser Vorgänge werden Quellerscheinungen ausgelöst. In Ton-Anhydritgesteinen wird der höhere Quelldruck durch den Kristallisationsdruck von Gips verursacht. Der gewählte Bauvorgang muss Sprödbruchvorgänge möglichst vermeiden und ist ein wesentlicher Faktor des aufzunehmenden Quelldrucks und der Quellerscheinungen.

Construction works were started for the 2nd tube of the Bosruck road tunnel on the A9 Pyhrn motorway in December 2009, as part of the ongoing upgrade to full motorway standard by ASFINAG. In the course of the more than 100-year history of tunnelling under the Grosse Bosruck, this tunnel is the fourth tunnel to be built in this part of the central mountain range of the Eastern Alps. The 4,766 m long single-track railway tunnel was constructed between 1901 and 1906, the ventilation and drainage tunnel for the road tunnel between 1978 and 1980, and the approximately 5,500 m long road tunnel for two-way traffic was constructed between 1980 and 1983.
Soon after being opened for traffic, substantial damage became apparent in the road tunnel. It was only possible to maintain operation by means of continuous and costly rehabilitation measures. In 2005, the extent of damage finally led to the decision to add a second tube to the road tunnel and to carry out a general rehabilitation of the existing tube of the road tunnel. The main conclusions regarding the swelling and squeezing behaviour drawn from the damage that had occurred in the first tube of the road tunnel were exploited for the design and construction of the second tube and are the subject of this paper.
Im Dezember 2009 wurde im Rahmen des laufenden Vollausbauprogramms der ASFINAG mit den Bauarbeiten für die zweite Röhre des Bosruck Straßentunnels der A9 Pyhrn Autobahn begonnen. Dabei handelt es sich in der über hundertjährigen Geschichte des Tunnelbaues am großen Bosruck um den vierten Tunnel, der in diesem Abschnitt des Ostalpenhauptkamms errichtet wird. Der eingleisige 4.766 m lange Eisenbahntunnel wurde 1901 bis 1906, der Lüftungs- und Entwässerungsstollen für den Straßentunnel 1978 bis 1980 und die 5.500 m lange Oströhre des Straßentunnels 1980 bis 1983 errichtet. Bald nach der Inbetriebnahme kam es im Straßentunnel zu massiven Schäden. Der Betrieb konnte nur durch aufwändige laufende Sanierungsmaßnahmen aufrecht erhalten werden. Der Schadensverlauf führte letztendlich im Jahr 2005 zur Entscheidung des vorzeitigen Vollausbaus und der anschließenden Generalsanierung der bestehenden Röhre des Straßentunnels. Die wesentlichen geomechanischen Schlüsse hinsichtlich des quellenden und druckhaften Gebirgsverhaltens, die aus den Schadensbildern der ersten Röhre des Straßentunnels für die Errichtung der zweiten Röhre gezogen werden können, sind Gegenstand dieses Beitrags.

With the ever-increasing depth of mines, the management of heat has become a key issue for their design and operation. There are two main sources of heat: heat transfer from the rock mass into the mine workings and heat associated with mining operations. The principles of heat transfer from the rock mass are discussed and basic relationships presented. Sources of heat linked to mining operations are discussed. It is shown that in deep-level mines, heat transfer from the rock mass accounts more than 75 % of total mine heat load. In highly mechanized coal mines, heat from the use of mining machinery is also significant. Some models of heat flow prediction for deep gold mines are presented. It is shown that in the case of deep mines, control of heat flow is more important than increasing refrigeration capacity. Examples of heat flow management methods are given.
Durch die ständig zunehmende Teufe der Abbaubetriebspunkte wird die Erdwärme zu einem Schlüsselfaktor hinsichtlich Planung und Betrieb von tiefliegenden Bergwerken. Es gibt zwei Hauptwärmequellen, einerseits den Wärmeübergang vom umgebenden Gebirge in die Grubenbaue sowie wärmeproduzierende Arbeitsvorgänge unter Tage. Dieser Beitrag erörtert die Grundsätze des Wärmetransfers aus dem Gebirge und stellt grundlegende Zusammenhänge dar. Darüber hinaus wird auf Wärmequellen im Bergbaubetrieb eingegangen. In tiefliegenden Bergwerken trägt der Wärmeübergang aus dem Gebirge mehr als 75 % zur gesamten Wärmebelastung bei, im Fall von hoch mechanisierten Kohlebergwerken ist die Wärme von Vortriebs- und Gewinnungsmaschinen signifikant. Einige Modelle für die Voraussagung von Wärmeströmen in tiefliegenden Goldbergwerken werden dargestellt. Es zeigt sich, dass die Kontrolle von Wärmeströmen wichtiger ist als die Erhöhung der Kühlleistung. Einige Beispiele zeigen Möglichkeiten zum Umgang mit Wärmeströmen auf.

Geothermal prognoses were carried out for two tunnel projects in the Andes, each running between Argentina and Chile. Different methods were applied in accordance with the different project phases.
For the feasibility study of a 52 km long railway tunnel, hydrogeological mapping and hydrochemical analyses were carried out as well as isotope analyses on a thermal spring. An attempt to use silica and ionic solute geothermometers produced different results. For the central section of the tunnel temperatures are assumed to reach 50 to 70 °C and further investigations are recommended.
The second tunnel project is now in the design phase. Two investigation phases have been completed including geological/ hydrogeological mapping, water sampling and analysis and core drilling. The geothermal gradient is well known from borehole temperature measurements. The thermal conductivity of the rocks was determined from core samples in a laboratory, and an average heat flow of approximately 100 mW/m2 was calculated. During the driving of the tunnel, temperatures of just over 50 °C are expected.
Für zwei Tunnelvorhaben in den Anden, jeweils zwischen Argentinien und Chile, wurden geothermische Prognosen durchgeführt. Für verschiedene Projektphasen kamen entsprechend unterschiedliche Methoden zur Anwendung:
Für eine Machbarkeitsstudie eines 52 km langen Eisenbahntunnels wurde eine Quellkartierung mit Probennahme durchgeführt sowie Isotopenanalytik an einer Thermalquelle. Ein Versuch, Geothermometer anhand der Lösungsfracht des Quellwassers zu verwenden, scheiterte. Für den zentralen Bereich des Tunnels werden Temperaturen von 50 bis 70 °C vermutet, weitere Erkundungen wurden empfohlen.
Das zweite Tunnelvorhaben ist in der Planungsphase deutlich weiter. Neben Kartierungen liegen zwei Erkundungsphasen mit Kernbohrungen vor. Aus Bohrlochmessungen ist der geothermische Gradient bekannt, die Wärmeleitfähigkeit der Gesteine wurde anhand von Bohrkernen im Labor ermittelt. Es konnte ein durchschnittlicher Wärmefluss von etwa 100 mW/m2 errechnet werden, für den Tunnelvortrieb werden Gebirgstemperaturen von maximal knapp über 50 °C erwartet.

The application of geothermal energy has increased in the last couple of years in order to provide the heating or cooling demands of major projects. Open systems using groundwater directly can be used for geothermal energy extraction as well as closed systems with absorber pipes installed in underground structures. An accurate design, which considers the requirements of the energy consumer in particular but also the subsoiland groundwater conditions, the foundation concept and the building structure, as well as project-specific technical, legal and economic conditions, is required for economically efficient application. Diligent supervision is necessary during the construction stage to avoid any damage to absorber pipes, which could result in loss of performance.
Zur Deckung des Heiz- oder Kühlbedarfs bei Großprojekten wird in den letzten Jahren vermehrt auf eine Erdwärmenutzung gesetzt. Dabei kommen sowohl offene Systeme wie eine direkte Grundwassernutzung als auch geschlossene Systeme mit Absorberleitungen in erdberührten Bauteilen zur Anwendung. Für eine wirtschaftliche Umsetzung bedarf es zunächst einer sorgfältigen Planung, wobei insbesondere die Anforderungen des Nutzers, die Untergrund- und Grundwasserverhältnisse, das Gründungskonzept einschließlich der Gebäudestruktur sowie projektspezifische technische, rechtliche und wirtschaftliche Randbedingungen zu berücksichtigen sind. In der Bauphase ist für eine plangemäße Umsetzung mit besonderer Sorgfalt vorzugehen, um Beschädigungen der Absorberleitungen und somit Leistungsminderungen zu vermeiden.

The drainage of the north side of the Lötschberg Base Tunnel in the Bernese Oberland in Switzerland continuously produces about 100 litres of water per second at about 20 °C. This water is discharged into the local river Kander. In order to protect wetland areas and water rights, the responsible authorities imposed limitations on the quantity of drainage from the tunnel. At the same time, the warming of the Kander by the discharged groundwater has to be limited to 0.5 °C to protect the lake trout from the Thunersee lake, which swim up the Kander to spawn. Particularly in the cold winter months when the water flow in the Kander is low, this requires the withdrawal of about 4 MW of thermal energy, or the cooling of the groundwater by about 10 °C. Instead of artificial cooling, the Tropenhaus Frutigen in combination with a local heating network exploits the warm groundwater for sturgeon farming together with tropical green houses. A high added value is achieved through sustainable use with polycultures, closed circulations and the use of alternative energies. The project has aroused great interest nationally and internationally.
Der Lötschberg-Basistunnel im Schweizerischen Berner Oberland dräniert auf seiner Nordseite kontinuierlich rund 100 Liter pro Sekunde etwa 20 °C warmes Bergwasser. Dieses Wasser wird in das lokale Fließgewässer, die Kander, eingeleitet. Zum Schutz von Feuchtgebieten und Wasserrechten haben die Behörden die Dränagemenge des Tunnels limitiert. Gleichzeitig musste zum Schutz der Seeforellen aus dem Thunersee, die in die Kander zum Laichen aufsteigen, die Erwärmung der Kander als Folge des eingeleiteten Bergwassers auf 0,5 °C begrenzt werden. Insbesondere in den kalten Wintermonaten mit Niedrigwasser in der Kander erforderte dies den Entzug von rund 4 MW thermischer Energie bzw. eine Abkühlung des Bergwassers um rund 10 °C. An Stelle einer künstlichen Abkühlung nutzt das Tropenhaus Frutigen in Kombination mit einem Nahwärmeverbund das warme Bergwasser in einer mit tropischen Gewächshäusern kombinierten Störzucht. Dank einer nachhaltigen Nutzung mit Polykulturen, geschlossenen Kreisläufen und dem Einsatz von erneuerbarer Energie wird ein hoher Mehrwert erzielt. Das Projekt stößt damit sowohl national als auch international auf großes Interesse.

On contract H8 - Tunnel Jenbach on the northern approach route to the Brenner Base Tunnel, a 54 km section of tunnel is currently being equipped with a geothermal system making use of energy lining segments, which enable the laying of absorber pipework in the TBM-driven tunnel. The system will be able to supply energy to the building yard in Jenbach though a connection in the emergency exit shaft. The design of the geothermal energy system covers the design of the energy segments, the sizing of the geothermal system, the installation of the segments in the tunnel and connecting them together in the tunnel and the laying of the connection pipework. Various restrictions resulting from the practicalities of tunnel construction had to be taken into account in the geothermal system. This article describes the experience gained during the design phase and the current state of the works. Then follows a discussion of the conditions for the future application of geothermal systems in tunnels.
Im Baulos H8 - Tunnel Jenbach, als Teil der Zulaufstrecke Nord zum Brenner Basistunnel, wird derzeit ein 54 m langer Tunnelabschnitt mit einer geothermischen Anlage ausgerüstet. Dabei kommen so genannte Energietübbinge zum Einsatz, welche die Verlegung von Absorberleitungen in TBM-vorgetriebenen Tunneln ermöglichen. Die Anlage wird über einen Notaustiegsschacht mit dem Bauhof der Gemeinde Jenbach verbunden, um diesen in Zukunft mit Wärmeenergie zu versorgen. Die Planung der Geothermieanlage erstreckte sich von der Bemessung der Energietübbinge, der Dimensionierung der Geothermieanlage, dem Einbau der Energietübbinge in den Tunnel, die Verbindung der Energietübbinge untereinander im Tunnel bis zur Verlegung der Anschlussleitungen. Dabei mussten zahlreiche tunnelbauspezifische Randbedingungen beachtet und mit den Erfordernissen der technischen Gebäudeplanungen abgestimmt werden. Dieser Beitrag berichtet über die in der Planungsphase gewonnenen Erfahrungen und stellt den derzeitigen Stand der Arbeiten vor. Abschließend wird diskutiert, unter welchen Rahmenbedingungen geothermische Systeme in zukünftigen Tunnelprojekten integriert werden könnten.

The “Deep geothermal power station” project represents a new process for the exploitation of geothermal energy. District heating and heating for industrial purposes as well as electricity can be produced in a geothermal power station. The heat extraction will be controlled and continuous in a closed circulation system using drillings from a mined system of tunnels at a depth of 6,000 m. In order to overcome the high temperatures and rock pressures to be expected, interdisciplinary collaboration between several professions will be required.
Das Projekt “Geothermietiefenkraftwerk” stellt einen neuen Verfahrensansatz in der Nutzung geothermischer Energie dar. Fernund Prozesswärme sowie Elektrizität werden hierbei in einem geothermischen Großkraftwerk erschlossen. Die Wärmegewinnung erfolgt kontrolliert und kontinuierlich in einem geschlossenen Kreislauf mittels Bohrungen von einem bergmännisch aufgefahrenen Stollensystem in einer Teufe von 6.000 m. Zur Beherrschung der hohen Temperaturen und Gebirgsdrücke ist eine interdisziplinäre Zusammenarbeit mehrerer Fachdisziplinen erforderlich.

The construction of the Tauern Tunnel in the early 1970s was a milestone in the development of the New Austrian Tunnelling Method (NATM). The experience gained then formed the basis for the development of new technologies, which made tunnelling more efficient and safer and were applied consistently in the design and construction of the second tube. The present article describes the geological conditions, compares the geology with the original tunnel and then explains the starting points for the geomechanical design framework. The basic considerations for the planning of the tunnelling work are described, particularly for squeezing rock behaviour. Then there is a discussion of the geotechnical monitoring and implementation of the design during the excavation of the tunnel, with particular consideration of the problem of long-duration creep deformation and the difficulties in the project-specific determination of warning values. Finally, the conditions encountered along the new tube are summarised and compared with the design and geotechnical conditions of the first tube. This includes a description of the extremely complex and difficult tunnelling conditions in incompetent rock when passing through the approx. 300m long section in slope debris.

Der Bau der ersten Röhre des Tauerntunnels in den frühen 70er Jahren des letzten Jahrhunderts stellte einen Meilenstein in der Entwicklung der Neuen Österreichischen Tunnelbauweise (NÖT) dar. Die damals gewonnenen Erfahrungen bildeten die Grundlage für die Entwicklung neuer Technologien, die den Tunnelbau effizienter und sicherer machten und bei Planung und Bau der 2. Röhre konsequent angewendet wurden. Vorliegender Beitrag erläutert nach einer Vorstellung der geologischen Rahmenbedingungen und einem Vergleich mit der Geologie der ersten Röhre die Ausgangspunkte für die geomechanische Rahmenplanung. Die grundsätzlichen Überlegungen bei der Vortriebsplanung, insbesondere für druckhaftes Gebirgsverhalten, werden dargestellt. In weiterer Folge wird auf die geotechnische Überwachung und Umsetzung der Planung während der Vortriebsarbeiten eingegangen, wobei besonders die Problematik von langanhaltenden Kriechverformungen und die Schwierigkeiten bei der projektspezifischen Festlegung von Warnwerten betrachtet werden. Abschließend werden die im Zuge des Vortriebs angetroffenen Verhältnisse zusammengefasst und eine Gegenüberstellung mit der Planung und den geotechnischen Verhältnissen der ersten Röhre durchgeführt. Dabei werden auch die äußerst komplexen und schwierigen Vortriebsbedingungen im Lockergestein bei der Durchörterung der ca. 300 m langen Hangschuttstrecke behandelt.

This report gives an overview of the ventilation scheme for both tubes of the Tauern Tunnel with particular attention to the rebuilding of the multi-storey ventilation cavern. The cavern was designed and constructed in the 1970s - along with most of the ventilation system - and provides the ventilation for the central sections of both tubes with a ventilation shaft about 600 mm deep. While the original scheme intended sheet metal ducts partly suspended from the cavern vault, all the extract air ducts now had to be constructed of reinforced concrete as part of the construction of the second tube on account of the requirement for fire resistance. This also included the replacement of existing suspended sheet metal ducts.
The design work was a particular challenge because the structural design and detailing also had to consider the complicated existing structure and the aerodynamic (flow resistance) and logistical (maintenance of traffic and continuous operation of ventilation) aspects.

Im vorliegenden Bericht wird eine Übersicht über das Lüftungskonzept der beiden Röhren des Tauerntunnels gegeben, wobei besonders auf die Umbauarbeiten der mehrgeschossigen Lüfterkaverne eingegangen wird. Die Kaverne wurde - wie der Großteil der Lüftungsanlage - bereits in den 1970-er Jahren für beide Tunnelröhren geplant und errichtet und gewährleistet mit einem rund 600 m hohen Lüftungsschacht die Be- und Entlüftung der zentralen Lüftungsabschnitte für beide Tunnelröhren. Während beim ursprünglichen Konzept zum Teil vom Kavernengewölbe abgehängte Blechkanäle vorgesehen waren, müssen im Zuge des Neubaus der zweiten Tunnelröhre und der Sanierung der Bestandsröhre sämtliche Abluftkanäle wegen der geforderten Hitzebeständigkeit in Stahlbetonbauweise ausgeführt werden. Daher musste auch für die bereits bestehenden, aufgehängten Blechkanäle Ersatz geschaffen werden.
Die Planungsarbeiten erwiesen sich als besonders herausfordernd, da die statisch-konstruktive Planung auch die komplexen bestehenden Bauwerke und zusätzlich lüftungstechnische (Strömungswiderstand) und logistische (Verkehrsaufrechterhaltung und laufender Lüftungsbetrieb) Aspekte zu berücksichtigen hatte.