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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

In context of global climate change and the continuous extension of settlement areas in the Alps, especially due to tourism, an increasing conflict can be observed between land use and natural hazard prevention. This also includes deep-seated landslides, which can cause considerable damage to settlements and infrastructure when they occur and even endanger lives.
The hazard potential of slow deep-seated landslides has often been underestimated up till now. For economic reasons, such potentially dangerous instable slopes often are only monitored sporadically if at all. The alpEWAS project (“development and testing of an integrative 3D early warning system for instable alpine slopes”) is currently developing a low cost 3D monitoring and early warning system for landslides based on three innovative continuous measurement systems for underground and surface deformations: Time Domain Reflectometry, reflectorless video tacheometry and low cost global navigation satellite system. These are merged with other sensors, which monitor typical trigger mechanisms (e.g. precipitation), into a geo sensor network, providing remote online access to all data in near real time in a WebGIS environment.
The alpEWAS system has been installed at the Aggenalm Landslide for a first field test. The experiences made there will be of great importance for the medium-term goal: the development of a market-ready, flexible and economic early warning system for landslides.

In den Alpen ist vor dem Hintergrund des globalen Klimawandels und der fortwährenden Ausweitung von Siedlungsflächen vor allem aufgrund des Tourismus ein wachsender Konflikt zwischen der Landnutzung und der Prävention vor Naturgefahren erkennbar. Dies gilt auch für tiefgreifende Hangbewegungen, die ? wenn aktiviert ? Siedlungen und Infrastruktur beträchtlichen Schaden zufügen oder sogar Leben bedrohen können.
Bis heute wird das Gefährdungspotenzial von langsamen, tiefgreifenden Hangbewegungen oft unterschätzt. Aus wirtschaftlichen Gründen werden gefährliche Hänge, wenn überhaupt, oft nur sporadisch messtechnisch überwacht. Das alpEWAS-Projekt (?Entwicklung und Erprobung eines integrativen 3D-Frühwarnsystems für alpine instabile Hänge?) entwickelt deshalb momentan ein kostengünstiges 3D-Überwachungs- und Frühwarnsystem für Hangbewegungen, das auf drei innovativen und kontinuierlich arbeitenden Messsystemen für die Überwachung von Deformationen an der Oberfläche und im Untergrund basiert: Time Domain Reflectometry, reflektorloser Video-Tachymetrie und einem low cost Global Navigation Satellite System. Diese Messsysteme werden zusammen mit anderen, die typische Triggermechanismen wie Niederschlag überwachen, in ein Geo- Sensornetzwerk integriert, das über eine WebGIS Umgebung einen Fernzugriff auf alle anfallenden Daten nahezu in Echtzeit ermöglicht.
Das alpEWAS System wurde in einer ersten Felderprobung im Bereich der Aggenalm-Hangbewegung installiert. Die dort gemachten Erfahrungen fließen in die Entwicklung eines marktreifen, flexibel einsetzbaren und ökonomischen Frühwarnsystems für Hangbewegungen ein.

For the objective evaluation of the structural safety of tunnel structures during the construction phase, continuous monitoring of all important structural elements (e.g. tunnel lining) and the tunnel face are of utmost importance. The temporary top heading invert, frequently used in sensitive areas of top heading drives, could not up to now be monitored with measuring equipment, because it is usually covered with infill to form a temporary haul road.
The application of a Time Domain Reflectometry (TDR) measurement system makes it possible for the first time to detect, localise and quantify failures in the shotcrete lining. The calibration of the TDR measurement system in laboratory tests and the experience gained through a practical trial in the Lainzer tunnel in Vienna have made it possible to determine the capabilities and limits of this measuring system and demonstrate its readiness for practical use.

Für eine objektive Beurteilung der Standsicherheit von Tunnelbauwerken während der Bauphase ist eine kontinuierliche messtechnische Überwachung aller wichtigen Bauteile (z.B. Tunnelschale) sowie der Ortsbrust von entscheidender Bedeutung. Die beim Kalottenvortrieb häufig in sensiblen Bereichen eingesetzte temporäre Kalottensohle hat sich bisher einer messtechnischen Überwachung entzogen, da sie in der Regel für die Errichtung einer temporären Fahrbahn mit Ausbruchmaterial überschüttet wird.
Durch den Einsatz eines Time Domain Reflectometry (TDR) Messsystems ist es nun erstmals möglich, in der Spritzbetonschale auftretende Brüche zu erkennen, zu lokalisieren und zu quantifizieren. Durch die Kalibrierung des TDR-Messsystems in Laborversuchen und der Durchführung eines Praxisversuchs im Lainzer Tunnel (Wien) konnten die Möglichkeiten und Grenzen der Messmethode ermittelt sowie die Praxistauglichkeit des Systems unter Beweis gestellt werden.

One of the major shortcomings of two-dimensional approaches for underground excavation design is the (mostly) inadequate modelling of the effects of the face advance. Although they may roughly estimate the evolution of the displacements towards their final value, none of the 2D solutions available so far provide information about the extent of the pre-relaxation the ground has undergone. On the other hand, 3D calculations pose a much greater effort in modelling and evaluation, and can be conducted only by using numerical methods.
The method presented in this paper is intended to narrow this gap, representing an easy-to-implement tool allowing fast assessment of displacement development for a circular cavity in a linearly elastic-ideally plastic Mohr-Coulomb material under hydrostatic loading. A numerical parametric study has been performed on a 3D model in FLAC^3D. The parameters for the numerical simulations were chosen in such a way that they form a regular grid in a co-ordinate system spanned by the friction angle and a non-dimensional variable defined as the ratio between the depth of failure and the tunnel radius. Based on the displacement data obtained from numerical simulations, the respective fictitious support pressures have been back-calculated for every face position, using the closed-form solution developed by Feder & Arwanitakis. The back-calculated curves of the fictitious support pressure, its dimensionless form η (equivalent support pressure coefficient), defined as the ratio between the fictitious support pressure and the primary stress respectively, have been fitted with a slightly modified version of the function proposed by Sulem et al. The fitting process yields function shape parameters, allowing the establishment of three interpolation relationships. The knowledge of the shape parameters for an arbitrary set of mechanical parameters allows the calculation of the displacement path. The results have been verified on a set of ten 3D calculations with a random set of parameters and show very good agreement in all cases. In addition, the presented method is demonstrated through case histories.

Einer der größten Nachteile von zwei-dimensionalen Verfahren zur Planung von Untertagebauwerken ist die meist inadäquate Modellierung der Auswirkung einer fortschreitenden Ortsbrust. Wenngleich sie auch den Verschiebungsverlauf bis zum Endwert grob abschätzen, liefert keine der verfügbaren 2D-Lösungen Informationen über die Größe der Vorentlastung des Baugrunds. Auf der anderen Seite sind 3D-Berechnungen, die nur mit numerischen Methoden durchgeführt werden können, mit einem viel größeren Modellierungs- und Auswertungsaufwand verbunden.
Die hier vorgestellte Methode liefert ein einfach implementierbares Werkzeug, das eine schnelle Vorhersage des Verschiebungsverlaufs für einen kreisrunden Querschnitt in einem linear elastischen-ideal plastischen Mohr-Coulomb Material unter hydrostatischer Belastung erlaubt. An einem 3D-Modell im finite Differenzen Programm FLAC^3D wurde eine Parameterstudie durchgeführt. Die Parameter für die numerischen Simulationen wurden dabei so gewählt, dass sie ein regelmäßiges Netz in einem Koordinatensystem formen, das vom Reibungswinkel und einer dimensionslosen Variable η aufgespannt wird. Basierend auf den Verschiebungsverläufen aus den numerischen Berechnungen wurden, unter Anwendung der geschlossenen Lösung nach Feder & Arwanitakis, die zugehörigen fiktiven Ausbaudrücke für jeden Ortsbruststand rückgerechnet. Die rückgerechneten Kurvenverläufe des fiktiven Ausbaudrucks, beziehungsweise der dimensionslose Quotient aus fiktivem Ausbaudruck und Primärspannung wurden mit einer modifizierten Form der Funktion nach Sulem et al. angepasst. Diese Kurvenanpassung liefert Parameterder Formfunktion, welche die Etablierung von drei Interpolations-Beziehungen ermöglicht. Die Kenntnis dieser Formfunktion ermöglicht die Bestimmung des Verschiebungsverlaufs in Bezug zum Abstand der Ortsbrust für beliebige mechanische Parameter. Die etablierten Interpolations-Beziehungen wurden mittels zehn 3D-Berechnungen mit zufällig gewählten Parametern verifiziert und lieferten sehr zufrieden stellende Ergebnisse. Die Methode wurde anhand von Fallstudien getestet.

Displacement monitoring has been common practice during tunnel excavation for many decades. The results are usually used to assess the stabilisation process and to adapt excavation and support to the actual conditions. Although monitoring is done routinely on practically all sites, no consistent collection of case histories has yet been established, so the experience gained on completed projects is rarely available for new projects. To better utilise this previous experience, an expert system for the evaluation and interpretation of displacement monitoring data is currently under development. The main component of the system is an expert knowledge base containing normal displacement behaviour for a wide range of geotechnical conditions. Methods required for the identification of such normal displacement situations as well as for clear description of the displacement characteristics have been developed and will be outlined. The check whether the actually observed displacements are normal will be done by means of a comparison with a real displacement scenario from the database. In case a significant deviation is identified, the actual displacement trends will be compared to reference trends characteristic for changing ground conditions and the most probable situation determined. If the degree of correlation is low, then it is very probable that the actual displacements show abnormal behaviour.

Die Messung von Verschiebungen im Zuge des Tunnelausbruchs ist seit mehreren Dekaden übliche Praxis. Die Messergebnisse werden gewöhnlich für die Beurteilung des Stabilisierungsvorgangs und für die Anpassung von Ausbruch und Stützung an die tatsächlich angetroffenen Verhältnisse verwendet. Obwohl die Beobachtung routinemäßig an praktisch allen Baustellen durchgeführt wird, gibt es keine konsistente Sammlung von Fallstudien. Als Folge dessen ist die Erfahrung, die im Zuge eines Projekts gemacht wurde, selten für neue Projekte verfügbar. Damit dieses Wissen in Zukunft aber besser genutzt werden kann, ist derzeit ein Expertensystem für die Auswertung und Interpretation von Verschiebungsmessdaten in Entwicklung. Die Hauptkomponente des Systems bildet eine Expertenwissensdatenbank, die für einen breiten Bereich an geotechnischen Situationen Verschiebungsfälle zur Verfügung stellt. Sowohl die erforderlichen Methoden für die Identifikation dieser Fälle als auch die Methoden zur eindeutigen Beschreibung der Verschiebungscharakteristik wurden entwickelt und werden in diesem Beitrag erläutert. Die Beurteilung, ob das beobachtete Verschiebungsverhalten normal ist, wird über einen Vergleich mit einer Verschiebungssituation aus der Datenbank durchgeführt, die repräsentativ für die angetroffenen Verhältnisse ist. Wird eine signifikante Abweichung festgestellt, so werden die tatsächlichen Verschiebungstrends mit Referenztrends, die charakteristisch für Änderungen in den Gebirgseigenschaften sind, verglichen und die Situation mit der besten Übereinstimmung bestimmt. Ist der Grad dieser Übereinstimmung gering, so ist es sehr wahrscheinlich, dass das beobachtete Verhalten abnormal ist.

The uncertainties in the ground model and the subsequent design of tunnels call for an observational approach. To enable the safe and economical tunnelling of underground infrastructure projects with shallow overburden, a safety management plan has to be implemented. The successful application of the observational method is based on a comprehensive definition of the expected behaviour by the designer and the verification of the actual conditions by the site geotechnical engineer during construction. Advanced tools and methods for monitoring data evaluation assist in the continuous interpretation of the system behaviour, enable timely detection of deviations and check against the warning and alarm criteria. The paper shows the application of the observational method as defined in Eurocode 7 as part of a Safety Management Plan through two case histories from OeBB tunnel projects.

Die Unsicherheiten im Baugrundmodell und folglich die Planung von Tunneln verlangt im Zuge der Bauausführung die Anwendung der Beobachtungsmethode. Bei großen Infrastrukturprojekten mit geringer Überlagerung ist daher zur Gewährleistung eines sicheren und wirtschaftlichen Tunnelvortriebs die Einführung eines Sicherheitsmanagementplans erforderlich. Die erfolgreiche Umsetzung der Beobachtungsmethode beruht auf einer ausreichenden Definition des erwarteten Verhaltens durch den Planer und einem ständigen Soll/Ist-Vergleich des Systemverhaltens durch den Geotechniker vor Ort während der Bauausführung. Fortschrittliche Werkzeuge und Methoden zur Messdatenauswertung unterstützen in der laufenden Interpretation des aktuellen Systemverhaltens, der Früherkennung von Abweichungen und der Überprüfung gegenüber Warn- und Alarmkriterien. Der vorliegende Beitrag zeigt anhand von zwei Fallbeispielen von ÖBB Tunnelprojekten die Umsetzung der Beobachtungsmethode gemäß Definition im Eurocode 7 im Rahmen des Geotechnischen Sicherheitsmanagementplans.

The Clem Jones Tunnel (former North-South Bypass Tunnel) is the first project to get underway as part of Brisbane's transport plan which aims to improve the urban road network. The total length to be excavated is 6.8 km which includes 4.8 km of driven tunnel and associated road connections. Construction commenced in August 2006 with project completion targeted well before the contractual completion date of October 2010. Due to the local geology, in particular the hard Brisbane tuff and Neranleigh-Fernvale formation a combination of tunnel excavation methods are used. The majority of the tunnel is excavated by two tunnel boring machines in rock having a compressive strength of between 80 and 150 MPa. Ten roadheaders are excavating the remaining tunnels such as ramps, access tunnels, cross passages and merges.
A major challenge arose during the planning of the initial mainline excavation underneath the Royal National Association Showground in Bowen Hills. This section contains low rock cover and historical maps indicate that the Showground is located within a former topographic depression (alluvial valley) where a creek once flowed through. Due to traffic merge design requirements, both TBM and roadheader excavation methods were required to be used in this challenging geological profile. The answer was to stabilise the alluvium above both TBM section tunnels from the surface prior to excavation and to operate the TBM in single shield mode with immediate grouting of annular void from the tail shield. In addition, the roadheader section of tunnel required additional support by spiles and canopy tubes installed from the tunnel face.

Der Clem Jones Tunnel (ehemals North South Bypass Tunnel) ist das erste in Angriff genommene Projekt des Brisbane-Transportplans. Dieser Plan hat das Ziel, das städtische Straßennetzwerk zu verbessern. Insgesamt wird eine Strecke von 6,8 km aufgefahren, einschließlich 4,8 km bergmännische Tunnel und zugehörige Straßenanbindungen. Die Bauarbeiten begannen im August 2006, und die Fertigstellung des Projekts ist deutlich vor dem vertraglich vereinbarten Fertigstellungstermin im Oktober 2010 geplant. Der größte Teil der Tunnel wird durch zwei Tunnelbohrmaschinen im Hartgestein mit einer Druckfestigkeit zwischen 80 und 150 MPa ausgebrochen. Zehn Teilschnittmaschinen fahren die übrigen Tunnel wie Rampen, Zugangstunnel, Querschläge und Verbindungen auf.
Eine große Herausforderung ergab sich während der Planung des Haupttunnelvortriebs unter dem Ausstellungsgelände der Royal National Association in Bowen Hills. Dieses Gebiet besitzt eine geringe Felsüberdeckung, und aus historischen Karten weiß man, dass das Ausstellungsgelände in einer ehemaligen topografischen Senke (alluviales Tal) liegt, durch die früher ein Bach floss. Aufgrund von Verkehrsplanungsanforderungen war es notwendig, sowohl Tunnelbohrmaschinen als auch Teilschnittmaschinen in dieser schwierigen geologischen Situation zu verwenden. Die Lösung bestand darin, das Schwemmland über beiden TBMTunneln von oben her zu stabilisieren und die Tunnelbohrmaschine in der Einfachschildbetriebsart zu fahren, wobei der Ringspalt vom Schildschwanz aus verpresst wird. Die durch Teilschnittmaschinen ausgebrochenen Tunnel mussten außerdem zusätzlich durch Spieße und eine Rohrschirmsicherung gestützt werden.

The bentonite and grout flow around a TBM is elaborated, as well as grout flow along the lining. The calculated grout flow along the lining is compared with the results of measurements. Measurement data for the flow around the TBM are not available. Both the bentonite and the grout are modelled as a Bingham liquid and it will be shown that, due to the relatively low flow velocities, the yield stress is the governing parameter. The results of the calculations show that both the flow around the TBM and the flow around the lining may significantly influence loading on the TBM, the soil, and the lining. The bentonite and grout flow around the TBM may result in a lower volume loss than calculated when assuming that the soil follows the tapered TBM. The grout flow and especially grout consolidation lead to lower pressures around the lining if the tunnel is constructed in sandy soil.

Der Bentonit- und Mörtelfluss um eine TBM und der Mörtelfluss entlang der Auskleidung werden diskutiert. Der berechnete Mörtelfluss entlang der Auskleidung wird mit Messdaten verglichen. Für die Strömungen um eine TBM existieren keine Messdaten. Sowohl der Bentonit als auch der Mörtel werden als Bingham Flüssigkeit modelliert, und es wird gezeigt, dass wegen der relativ niedrigen Strömungsgeschwindigkeiten die Fließspannung der bestimmende Parameter ist. Die Ergebnisse der Berechnungen zeigen, dass sowohl die Strömung um die TBM als auch entlang der Auskleidung einen bedeutenden Einfluss auf die Belastung der TBM, des Bodens und der Auskleidung haben. Der Bentonit- und Mörtelfluss um die TBM kann einen niedrigeren Volumenverlust zur Folge haben als berechnet, wenn man annimmt, dass der Boden der konisch zulaufenden TBM folgt. Der Mörtelfluss und besonders die Mörtelverfestigung führen zu einem niedrigeren Druck auf die Auskleidung wenn der Tunnel in sandigem Boden errichtet wird.

The prediction of excavation rates for tunnel boring was originally developed for rock boring machines. One of the earliest working methods for predicting TBM performance was developed at the University of Illinois. The method was simple, reliable, inexpensive, and the data available to the public. Since then, various methods, more sophisticated, more time consuming and more expensive have been developed by various researchers. Some of them were quite exacting in the prediction despite a limited knowledge of anticipated conditions. Others were ever changing and unavailable for public use.
Predictions of penetration rates and disc cutter consumption were tied to rock properties and machine variables while the prediction of TBM utilization was ignored even though in many cases it was the most variable element having the greatest impact. Prediction of TBM utilization was substantially more difficult since it was a function of time and length dependent downtimes, project conditions, TBM design features, work force, construction management, and site limitations. Many of these influences were simply a function of the impact of the human element and therefore tenuous to predict.
The development of machines designed to negotiate soil, rock, and a combination of both inherently imposed additional influences on the productivity. An increase in the use of electronic technology in tunnel boring, both for control functions and recording of instantaneous machine variables have allowed the imposition of additional constraints, such as thrust & torque limitations.
How do we take all of these additional variables into account in the forecasting of TBM performance?

Die Voraussage von Ausbruchgeschwindigkeiten für das Bohren von Tunneln wurde ursprünglich für Gesteinsbohrmaschinen entwickelt. Eine der ersten funktionierenden Methoden für die Voraussage von TBM-Leistungen wurde an der Universität von Illinois entwickelt. Die Methode war einfach, zuverlässig, kostengünstig und die Ergebnisse der Öffentlichkeit zugänglich. Seither wurden von verschiedenen Forschern die unterschiedlichsten Methoden entwickelt, die anspruchsvoller, zeitaufwändiger und teurer sind. Einige davon waren, trotz beschränkter Kenntnisse der zu erwartenden Bedingungen, genauer in der Voraussage. Andere wurden ständig verändert und nie der allgemeinen Verwendung zugänglich.
Die Voraussage der Penetrationsraten und des Verbrauchs an Diskenmeißeln waren an Gesteinseigenschaften und Maschinenparameter geknüpft, während die Voraussage der TBM-Ausnutzung ignoriert wurde, obwohl sie in den meisten Fällen das veränderlichste Element mit dem größten Einfluss war. Die Voraussage der TBM-Ausnutzung war wesentlich schwieriger, da sie eine Funktion von zeit- und längenabhängigen Stillstandzeiten, den Projektvorgaben, den Besonderheiten der TBM, der Mannschaft, der Bauleitung und der Baustellen-Beschränkungen war. Viele dieser Einflüsse waren einfach eine Folge der Einwirkung des menschlichen Faktors und deshalb schwierig vorauszusagen.
Die Entwicklung von Maschinen zur Bewältigung von Böden, Gestein und eine Kombination aus beiden vergrößerte naturgemäß die Anzahl der zusätzlichen Einflüsse auf die Produktivität. Eine Zunahme der Elektronik bei Tunnelbohrmaschinen, sowohl für Kontrollzwecke als auch zur Aufzeichnung der momentanen Maschinenparameter, hat die Auferlegung zusätzlicher Beschränkungen zugelassen.
Wie sind all diese zusätzlichen Variablen bei der Prognose der TBM-Leistungen zu berücksichtigen?