The next expansion phase of the U2xU5 intersection is currently under construction in the inner districts of the City of Vienna. The construction lot U2/22 Rathaus (City Hall) takes place in the inner districts 1, 7 and 8. Three shafts are the main focus of the construction works at Friedrich-Schmidt-Platz, directly behind the Vienna City Hall as well as a shaft with extensive works on the building of the University of Vienna and another shaft at Josefstädter Straße. Due to difficult and changing geology, different support measures from full face tunnel excavation to tunnelling under a roof of jet grouting piles will be used. In addition, measures such as groundwater drainage, structural improvements of buildings and settlement compensations are necessary in advance.
Die derzeit laufende Ausbauphase des Linienkreuzes U2xU5 wird in den inneren Bezirken Wiens umgesetzt. Der Bauabschnitt U2/22 Rathaus befindet sich in den Bezirken 1, 7 und 8. Der Hauptangriffspunkt ist der Friedrich-Schmidt-Platz direkt hinter dem Wiener Rathaus mit drei Schächten. Ergänzt wird dies mit einem weiteren Schacht sowie umfangreiche Umbauten im Bestand bei der Universität Wien und einem Schacht bei der Josefstädter Straße. Beim Tunnelvortrieb werden aufgrund der wechselnden und zum Teil anspruchsvollen Geologie kombiniert mit wechselnden und teilweise sehr geringen Überdeckungen unterschiedliche Ausbaumaßnahmen vom Vollausbruch bis hin zu Vortrieben im Schutz massiver DSV-Voraussicherung zur Anwendung kommen. Weiters sind vorauseilend Maßnahmen wie Grundwasserhaltung von über und unter Tage, Hausertüchtigungsmaßnahmen und Setzungskompensationen notwendig.

The extension of the Metro B line in Lyon represents a technical challenge combining difficulties with very few equivalents in pressurised TBM history. Alluviums with wide porosity and high permeability (up to 10-2 m/s) imply a risk of slurry loss leading to ground instabilities. To mitigate geological risks without using heavy ground treatment, two lines of research were followed:
i) A slurry development program, aiming to define and validate technical mud formulae reducing the losses and ensuring the continuous confinement pressure. Two types of innovative slurries were to be defined, a “technical” one for horizons with high permeability, and an “emergency mud” to secure the tunnel and constructions in the event of a sudden slurry loss.
ii) The use of a variably density TBM to use these technical slurries with a classic and an independent auxiliary hydraulic circuit. In addition, an embedded emergency mud supply was added to the TBM. The first phase implemented the slurry development lab, which consisted in the characterisation of a wide range of products entering in the slurry composition such as bentonite, mineral or organic clogging agents, polymers, gels, etc. The slurry formulae were then tested under pressure in permeameters of two different sizes. Solutions clogging the porosity and sustaining mud and air pressure have been developed. The execution phase proved, that the developed solutions were giving the expected results regarding controlling slurry losses in the ground, maintaining front confinement pressure and reducing surface settlement below expected values in a dense urban area.

The S1 Donau-Lobau tunnel closes the gap in the road network around Vienna. Its two tunnel tubes run under the Danube and the Donau-Auen National Park, with the provision that no work is allowed to take place on the surface of the site. The (hydro-)geological subsurface conditions in the project area can be described as “difficult”. The tunnel project must also meet all safety-related requirements that arise during construction and operation, while at the same time minimizing the environmental impact.
This article describes the essential special civil engineering and tunnelling measures in connection with the local subsoil conditions. It outlines the geotechnical exploration goals required for the structural tendering and detailed planning as well as for limiting the subsoil risk. Just obtaining the necessary permits for the exploration work required extensive preparatory work. As a result, both the exploration programme and the tunnel itself have been further adapted. The approved explorations were completed in the shortest possible time in compliance with extensive environmental requirements during a single winter season.
Die S1 mit dem Tunnel Donau-Lobau schließt die Lücke im Straßennetz um Wien. Sie unterquert die Donau und den Nationalpark Donau-Auen mit zwei Tunnelröhren unter der Voraussetzung, dass an der Geländeoberfläche keinerlei Arbeiten stattfinden dürfen. Die (hydro-)geologischen Untergrundverhältnisse im Projektgebiet sind als “schwierig” zu bezeichnen. Das Tunnelprojekt muss zudem sämtlichen sicherheitstechnischen Anforderungen gerecht werden, die sich bei der Bauherstellung und für den Betrieb ergeben, bei gleichzeitiger Minimierung der Umweltauswirkungen.
Vorliegender Beitrag beschreibt die wesentlichen Spezialtiefbau- und Tunnelbaumaßnahmen im Zusammenhang mit den lokalen Baugrundverhältnissen. Dabei werden die erforderlichen geotechnischen Erkundungsziele dargestellt, die für die bautechnische Ausschreibungs- und Detailplanung sowie zur Eingrenzung des Baugrundrisikos notwendig sind. Alleine die Erlangung der notwendigen Genehmigungen für die erforderlichen Erkundungsarbeiten bedurften umfangreicher Vorarbeiten. Als Ergebnis wurde sowohl das Erkundungsprogramm als auch der Tunnel selbst weiter angepasst. Die genehmigten Erkundungen wurden in kürzester Zeit unter Einhaltung umfangreicher Umweltauflagen in einer Wintersaison abgearbeitet.

The BIM pilot project “New Köstendorf-Salzburg Line” for ÖBB-Infrastruktur AG covers a new twin-track section about 21 km long involving a wide variety of different engineering structures and a corresponding need for close interdisciplinary collaboration within a sensitive project space. The pilot project successfully achieved its objective of generating a largely software-independent overall model and transferring the knowledge gained to the Employer's Information Requirements and subsequently to a BIM execution plan. In addition to internal coordination meetings, a preliminary external meeting took place to discuss the model elements required for a government agency as part of an approval process and the availability of such elements by means of direct access to the model.
By adopting an integrated, collaborative approach to project management, it was possible to define extensive procedures and workflows adapted to the needs of the respective project partners for the single-discipline models (specialist models) and to coordinate an overall federated model. The results of the co-ordinated overall model show the ample opportunities afforded by a parameterised ground model for transparent risk and project assessment, paving the way for a holistic, phase-based infrastructure information model. In this regard, the authors felt that it was important to adapt the project partners' established internal procedures only minimally and to translate them into BIM-compatible, cooperative workflows.
Das BIM-Pilotprojekt “Neubaustrecke Köstendorf-Salzburg” der ÖBB-Infrastruktur AG umfasst eine ca. 21 km lange zweigleisige Neubaustrecke mit einer Vielzahl unterschiedlicher Ingenieurbauwerke und intensiver multidisziplinärer Abstimmungsnotwendigkeit in einem sensiblen Projektraum. Die Zielvorgabe einer weitgehend softwareunabhängigen Gesamtmodellierung mit Überführung der gewonnenen Erkenntnisse in die Auftraggeber Informations Anforderungen bzw. nachfolgend einen BIM-Abwicklungsplan konnte erfolgreich abgeschlossen werden. Neben internen Abstimmungen erfolgte eine erste externe Abstimmung über die im Rahmen eines Genehmigungsverfahrens für eine Behörde erforderlichen Modellinhalte sowie deren Verfügbarkeit mittels direktem Modellzugriff.
Durch die integrale und kollaborative Projektbearbeitung war es möglich, umfangreiche, auf die Bedürfnisse der jeweiligen Projektpartner abgestimmte Abläufe für die einzelnen Fachmodelle zu definieren und zu einem Gesamtmodell zu koordinieren. Das Ergebnis des koordinierten Gesamtmodells zeigt u. a. die umfassenden Möglichkeiten eines parametrisierten Baugrundmodells in der transparenten Risiko- und Projektbeurteilung und weist den Weg hin zum holistischen, phasenorientierten Infrastruktur Informationsmodell. Dabei ist es aus Sicht der Autoren wichtig, die erprobten internen Arbeitsabläufe der Projektpartner nur minimal zu adaptieren und in BIM-taugliche, kooperative Workflows zu überführen.

Different approaches have emerged in dealing with the subject of subsoil risk over the last 25 years. The complex area of geotechnical engineering has contributed significantly to the problem through the development of new technologies. A contractually correct “absorption” of the external conditions has thus become an increasing challenge. This paper describes some of the more recent developments on the subsoil risk, not least in the delimitation to other contractual risks and the contractual arrangement of risk allocation. The topic has also provided for interesting approaches outside Austria, which are also discussed here. The aim is to provide new impulses for dealing with the subsoil risk.
In den letzten 25 Jahren sind im Umgang mit dem Thema Baugrundrisiko unterschiedliche Ansätze entstanden. Das komplexe Fachgebiet Spezialtiefbau hat mit der Entwicklung neuer Technologien maßgebend zur Problematik beigetragen. Ein vertraglich korrektes “Auffangen” der äußeren Rahmenbedingungen wird daher immer mehr zur Herausforderung. Diese Arbeit beschreibt einige der neueren Entwicklungen zum Baugrundrisiko, nicht zuletzt die Abgrenzung zu anderen Vertragsrisiken und die Gestaltungsmöglichkeiten der Risikoteilung. Das Thema hat auch außerhalb der Grenzen Österreichs für interessante Lösungsansätze gesorgt, die hier auch besprochen werden. Dabei sollten neue Denkanstöße für den Umgang mit dem Baugrundrisiko geliefert werden.

The institution of a neutral Tunnelling Expert (TE) has proven to be of benefit to Austrian Tunnelling Projects. However, misdevelopments have been observed during recent years, which lead to setbacks and obstructions against utilizing its full potential. On the basis of practical experiences, the reasons and backgrounds are explained and options for improved collaboration of the participants by targeted involvement of the TE are shown. These considerations are not restricted to structural topics. They also take into account the mechanism of the social system of manpower cooperating in construction projects,
Die Institution eines neutralen Tunnelbautechnischen Sachverständigen (TSV) hat sich im österreichischen Tunnelbau bewährt. In den letzten Jahren sind jedoch einige Fehlentwicklungen festzustellen, welche die Ausnutzung des vollen Potenzials dieser Funktion behindern. Anhand von praktischen Erfahrungen werden die Ursachen und Hintergründe erläutert und Möglichkeiten im Hinblick auf eine verbesserte Kooperation der Projektbeteiligten durch zielgerichtete Einbindung des TSV aufgezeigt. Dabei wird nicht nur auf strukturelle Themen, sondern auch auf die Mechanismen des sozialen Systems bei der Errichtung von Bauprojekten eingegangen.

On the mix-shield TBM excavation of the Eppenberg tunnel, unexpected conditions were encountered in both the rock and soil excavations, which resulted in a modified execution of the project. In this case, the openly formulated contract made it possible to take advantage of improvements in the ground and to manage unexpected system behaviour with the right measures in such a way that economical and time-saving excavation was possible. In all three examples presented in this paper, time is one of the key success factors, because recurring processes result in feedback processes that change the system behaviour more and more rapidly as time goes on. In order to reduce the resulting additional costs and time losses, it is necessary to understand what is happening on site, then evaluate, test and check the possible measures, and finally decide on their implementation in a timely manner. At Eppenberg tunnel, this enabled unexpectedly adverse system behaviour to be overcome in two cases without any major loss of construction time. This was only possible because the responsible persons from all parties involved were able to discuss the situation together and make decisions at short notice.
Beim Mix-Schild-TBM-Vortrieb des Eppenbergtunnels wurden sowohl im Fels als auch im Lockergestein unerwartete Bedingungen angetroffen, die eine veränderte Ausführung des Projekts zur Folge hatten. Der offen formulierte Vertrag ermöglichte es, sowohl Verbesserungen des Baugrunds zu nutzen als auch unerwartetes Systemverhalten mit den richtigen Maßnahmen so zu bewältigen, dass ein wirtschaftlicher und zeitsparender Vortrieb möglich wurde. Bei den drei vorgestellten Beispielen ist die Zeit einer der wesentlichen Erfolgsfaktoren, denn häufig stellen sich bei wiederkehrenden Abläufen rückgekoppelte Prozesse ein, die das Systemverhaltens mit fortlaufender Dauer immer schneller verändern. Um die daraus folgenden Mehraufwendungen und Zeitverluste zu reduzieren, gilt es, die vor Ort angetroffenen Umstände zu verstehen. Darauf aufbauend müssen die möglichen Maßnahmen evaluiert, getestet und überprüft werden, und schlussendlich muss zeitnah über deren Umsetzung entschieden werden. Beim Eppenbergtunnel konnten in zwei Fällen unerwartet missliche Systembedingungen ohne größere Bauzeitverluste überwunden werden. Das war nur möglich, weil die verantwortlichen Personen aller beteiligten Parteien gemeinsam die Situation erörtern und Beschlüsse kurzfristig fällen konnten.

The approx. 3 km long twin-tube Rudersdorf tunnel is part of the Fürstenfeld Motorway S7. In addition to jet grouting and steel pipe umbrella sections, the excavation is mainly carried out according to the NATM. After the contract had been signed, the contractor proposed a value engineering concept including a stepped (almost) full excavation with a short ring closure. This concept avoids jet grouting sections and reduces sections with steel pipe umbrellas and the temporary top heading invert. A fair risk transfer between both contractual partner enables the full technical and economic potential of the project to be released and guarantees a win-win situation. The modified construction methodology consequently also requires a change of tasks and responsibility for the contractual partners for the project. This paper highlights the main topics of the contractual modifications required and explains the handling of the ground risk with examples.
Der ca. 3 km lange zweiröhrige Tunnel Rudersdorf stellt ein Kernstück der Fürstenfelder Schnellstraße S7 dar. Das Vortriebskonzept sieht neben DSV- und Rohrschirmstrecken überwiegend Spießvortriebe entsprechend der NÖT vor. Nach Vertragsabschluss reichte die ausführende Arbeitsgemeinschaft ein Value Engineering mit dem Titel “Alternatives Vortriebskonzept” ein. Wesentlichstes Element dieses Vortriebskonzepts ist ein abgestufter Vollausbruch mit kurzem Gesamtringschluss, der den Entfall der DSV-Strecken, die Reduktion der Rohrschirmstrecken und des temporären Kalottensohlgewölbes ermöglicht. Ziel dieser geänderten Ausführung ist, das technisch-wirtschaftliche Potenzial in Form einer “win-win-Situation” für beide Vertragspartner auf Basis einer fairen Risikoverlagerung zu erschließen. Daraus ergeben sich für das Projekt neben den technisch geänderten Rahmenbedingungen des Vortriebs auch eine geänderte Baugrundrisikoverteilung, Aufgabenzuordnung und Verantwortung der Vertragspartner. In diesem Bericht werden die wesentlichen Eckpunkte und Abläufe des geänderten Vortriebskonzepts dargestellt und der Umgang mit dem Baugrundrisiko anhand von Beispielen erläutert.

When tunnelling with a TBM (Tunnel Boring Machine) in rock and soil, mostly the machine is described and often reduced to a slogan. Such descriptions say little about geotechnical processes at the tunnel face that are key to the success of tunnel driving and must be considered when selecting a tunnelling system. In soil tunnels the tunnel face must be safely supported and extracting material must be possible. For a slurry shield the slurry must not escape and pressure must act on the face. In the literature mostly bentonite content is considered. With an Earth-Pressure balance machine the soil has to have characteristics that it can be remoulded and transformed in a mass of adequate consistency with mechanical means, adding water and additives such that this mass can support the face and be extracted. Long-term experience shows that the fine content and polymers are also important factors. Flow channels (pores) in open gravel may be clogged, and the face supported by seepage forces. Also, the drag forces in the slurry circuit are increased and the operation of the slurry circuit became more stable. Rates of advance exceeding 10 m/day were achieved with a 11.6 m slurry shield. The limited depth of penetration of the slurry could be determined in-situ. For fine-grained soils the characteristics of the fines are crucial and are described by the Atterberg limits. Soil mechanics strength properties may be vastly different.
Beim mechanischen Tunnelvortrieb in Lockergestein oder stark geklüftetem Fels wird meist von der eingesetzten Tunnelbohrmaschine gesprochen und deren Ausbildung, als Hydro- oder Erddruckschild, beschrieben. Die geotechnischen Vorgänge an der Ortsbrust finden hingegen weniger Beachtung. Im Lockergestein muss die Ortsbrust ausreichend gestützt sein und gleichzeitig abgebaut werden können. Bei einem Flüssigkeitsschild darf die Stützflüssigkeit nicht ungehindert abfließen, damit die Stützung auf die Ortsbrust wirksam ist. Bei einem Erddruckschild wird der Boden in eine geeignete Konsistenz gebracht, damit dieser stützt und gefördert werden kann. Es liegen Jahrzehnte alte Erkenntnisse vor, die zeigen, wie die Ortsbrust-Stützung in sehr durchlässigem Kies erfolgen kann und dass die erfolgreiche Stützung nicht nur vom Bentonitgehalt und Polymeren, sondern auch vom Gehalt an Feinmaterialien in der Stützflüssigkeit abhängt. Die Porenkanäle im Bereich der Ortsbrust werden dabei verstopft, die Ortsbrust-Stützung aufgebaut und die Schleppkraft im Flüssigkeitskreislauf erhöht. In feinkörnigen Böden ergeben sich je nach Plastizitätseigenschaften (Konsistenzgrenzen) des Bodens wesentlich andere bodenmechanische Eigenschaften und somit andere Anforderungen an einen mechanischen Vortrieb.

Since December 2020, at a pressure of 70 bar, up to 25 % of Britain's gas requirements was flowing through the new Feeder 9 gas pipeline, which installed in a 4.9 km long tunnel 30 m below the River Humber. With the insertion of the new pipeline, the Humber Pipeline Joint Venture (HPT JV), consisting of the companies Porr, Skanska and A. Hak, achieved a major milestone when it was officially recognised as a Guinness World Record for the longest hydraulically-inserted pipe at 4,963.7 m long. Replacing the existing pipeline was an absolute necessity due to the shifting river bed which, over the years, had exposed sections of the pipeline threatening the supply to the customers in the UK. The solution adopted by the client, National Grid to provide a long-term permanent solution, was for the construction of a segmental lined tunnel with an inner diameter of 3.65 m accommodating the new 1050 mm diameter welded steel gas pipe. The tunnel was excavated with a 4.4 m diameter mix shield type TBM. The small diameter together with the length, without intermediate access including a tidal range in the Humber estuary of up to 6.4 m and an overburden on the tunnel of 10 m below the river bed resulted in a number of challenges. The installation of the concrete-coated steel pipeline was particularly high risk. The individual strings ranging from 595 to 620 m in length and weighing about 850 t, were pushed consecutively into the water-filled tunnel employing two hydraulic thrusters in just 18 days.

Feeder 9 Gas Pipeline Replacement Tunnel - Erzielung eines Weltrekords bei der Verlegung einer neuen Gasleitung in einen Tunnel unter dem Fluss Humber (UK)
Seit Dezember 2020 strömt bis zu 25 % des britischen Gasbedarfs mit einem Druck von 70 bar durch die neu verlegte Feeder 9 Gasleitung, die in einen 4,9 km langen Tunnel 30 m unter dem Fluss Humber verläuft. Mit dem Einschieben der Leitung erreichte das Humber Pipeline Joint Venture (HPT JV), bestehend aus den Firmen Porr, Skanska und A. Hak, einen neuen Weltrekord, der offiziell als Guinness-Weltrekord für das längste hydraulisch eingebrachte Rohr mit 4.963,7 m anerkannt wurde. Der Austausch der bestehenden Gasleitung war aufgrund eines sich verändernden Flussbetts notwendig, da im Laufe der Jahre Teile der Pipeline durch Erosion infolge der Gezeiten freigespült wurden und damit die Gasversorgung in UK gefährdet war. Der Bauherr National Grid entschied sich für den Bau eines Tübbingtunnels mit 3, 65 m Innendurchmesser zur Aufnahme der Gasleitung mit 1.050 mm Durchmesser zur dauerhaften Absicherung. Der Tunnel wurde mittels Mixschild TBM mit einem Bohrdurchmesser von 4,4 m aufgefahren. Der relativ kleine Durchmesser in Verbindung mit der großen Länge ohne Zwischenangriff sowie dem Gezeitenhub in der Humbermündung mit bis zu 6,4 m und einer Überlagerung des Tunnels von 10 m bis zum Flussbett führten zu einer Reihe von Herausforderungen. Besonders anspruchsvoll war auch der Einbau der mit Beton beschichteten Stahlrohrleitung. Die acht einzelnen Stränge von 595 bis 620 m Länge mit einem Gewicht von je ca. 850 t wurden nacheinander mithilfe von zwei hydraulischen Vorschubaggregaten in nur 18 Tagen in den wassergefluteten Tunnel geschoben.

Globalisation and advancing urbanisation around the globe have a significant influence on market dynamics in tunnelling. The expansion of infrastructures in urban and regional centres calls for the construction of new transport, supply, and disposal systems to link individual economic centres. Innovative technologies in mechanised tunnelling, such as the now well-established Variable Density TBM, are making a significant contribution to the safe and low-settlement construction of sustainable tunnel infrastructure projects in extremely challenging and variable ground conditions. In this publication, the current developments and design features as well as the application areas of the Variable Density Technology are addressed, based on one of the first project experiences in Europe, in Lyon.
Globalisierung und fortschreitende Urbanisierung rund um den Globus haben einen wesentlichen Einfluss auf die Marktdynamik im Tunnelbau. Infrastrukturen werden in urbanen und regionalen Zentren ausgebaut und forcieren die Verknüpfung einzelner Wirtschaftszentren durch neue Verkehrs-, Ver- und Entsorgungssysteme. Innovative Technologien im Rahmen der maschinellen Tunnelvortriebstechnik, z. B. die inzwischen im Markt etablierte Variable-Density-TBM, tragen einen wesentlichen Teil dazu bei, nachhaltige Tunnelinfrastrukturvorhaben in äußerst anspruchsvollem und variablem Baugrund sicher und setzungsarm herzustellen. Im Rahmen dieser Publikation werden die aktuellen Entwicklungen bzw. die technischen Besonderheiten und Einsatzbereiche der Variable-Density-Technologie adressiert, basierend auf eine der ersten Projekterfahrungen in Europa, in Lyon.

This paper examines the possibility of using excavated material with system-related admixtures as a substitute construction material, considering the current rules and regulations in the field of landfilling or disposal. In addition to conventional injections with bentonite- and cement-containing suspensions, which always require longer setting times and are relevant for classification during disposal with sulfate values in the eluate, fast-setting multicomponent resins are suitable for filling or consolidation, e.g. fast-reacting, high-foaming silicate resins, polyurethane resins for stopping water ingress, or rubber-elastic, versatile 3-component acrylate gels. However, the discussion is currently focusing on tunnelling compounds to which foams or resins have been added and which, according to Systal's “system-related admixtures”, are to be remunerated as special services. This paper deals with the question how to deal with the excavated material contaminated with organic matter under soil protection law and waste law. On the basis of the results of laboratory tests, the question arises as to whether tunnel excavation with a few percent of organic, system-related admixtures would not make an excellent substitute building material in the sense of the draft substitute building materials ordinance.
Der Beitrag untersucht die Möglichkeit, Ausbruchmaterial mit systembedingten Beimischungen als Ersatzbaustoff, unter Berücksichtigung der aktuellen Regelwerke und Vorschriften im Bereich der Deponierung bzw. Entsorgung, zu verwenden. Neben den konventionellen Injektionen mit bentonit- und zementhaltigen Suspensionen, die immer längere Abbindezeiten benötigen und bei der Entsorgung mit Sulfatwerten im Eluat einstufungsrelevant sind, bieten sich schnell abbindende Mehrkomponentenharze zum Verfüllen oder Verfestigen an, z. B. schnell reagierende, hoch aufschäumende Silikatharze, Polyurethanharze zum Stoppen von Wassereinbrüchen oder gummi-elastische Dreikomponenten-Acrylatgele. In der Diskussion stehen jedoch derzeit die mit Schäumen oder Harzen beaufschlagten Tunnelausbruchmassen, die nach Systals “systembedingte Beimengungen” als besondere Leistungen zu vergüten sind. Dieser Beitrag behandelt die Frage, wie man bodenschutzrechtlich und abfallrechtlich mit organischer Substanz behaftetem Ausbruch umgeht. Auf Basis von Ergebnissen von Laboruntersuchungen stellt sich die Frage, ob Tunnelausbruch mit wenigen Prozenten organischen, systembedingten Beimengungen, nicht einen hervorragenden Ersatzbaustoff im Sinne der im Entwurf vorliegenden Ersatzbaustoffverordnung hergeben.

Both conventional and mechanized tunnelling have a fantastic tradition. The technical progress of the industry moved in step with social developments, characterized by crises and leaps in innovation. In the field of mechanized tunnelling, the driving force for some years now has been the desire to excavate heterogeneous construction sites with changes in tunnelling modes without the need for costly conversions underground. In addition, two innovation surges are currently discernible. On the one hand, the demands on innovation and technology management again follow a societal challenge, namely the goal of climate neutrality. On the other hand, digital processes and tools are changing all areas of our lives at an enormous speed, which means that the construction industry will also undergo a transformation in the coming years. Automation, robotics, the Internet of Things, machine learning, or artificial intelligence are all gradually encroaching on current processes and methods.
Tunnelling jobsites in general, and largescale construction projects in particular, are inherently complex in their operation and are subject to major challenges. Current and future developments will add another necessity, namely the integration of digital applications into an overall system consisting of people and machines while enabling high-performance construction processes. This calls for intelligent systems.
Der Tunnelbau hat eine fantastische Tradition, sowohl der konventionelle als auch der maschinelle. Die branchentechnischen Fortschritte verliefen im Gleichschritt mit den gesellschaftlichen Entwicklungen, gekennzeichnet durch Krisen und Innovationsschübe. Im Bereich des maschinellen Tunnelbaus liegt der Antrieb seit einigen Jahren im Bestreben, heterogene Baugründe mit Wechsel der Vortriebsmodi ohne aufwändige Umbauten unter Tage auffahren zu können. Zusätzlich sind derzeit zwei Innovationstrends erkennbar. Zum einen folgt die Anforderung an das Innovations- und Technologiemanagement erneut einer gesellschaftlichen Herausforderung, nämlich dem Ziel der Klimaneutralität. Zum anderen verändern digitale Prozesse und Tools mit enormer Geschwindigkeit alle Bereiche unseres Lebens, wodurch die Bauwirtschaft in den kommenden Jahren ebenso eine Veränderung erfahren wird. Automatisierung, Robotik, Internet of Things, Machine Learning oder künstliche Intelligenz greifen sukzessive in die derzeitigen Prozesse und Methoden ein.
Tunnelbaustellen generell und insbesondere Großbaustellen sind per se komplex in der Abwicklung und großen Herausforderungen ausgesetzt. Durch die derzeitigen und künftigen Entwicklungen wird eine weitere Notwendigkeit hinzukommen, nämlich die Integration von digitalen Anwendungen in ein Gesamtsystem bestehend aus Menschen und Maschine bei gleichzeitiger Ermöglichung performanter Bauprozesse. Hierfür bedarf es intelligenter Systeme.

Contractor G. Hinteregger & Söhne Baugesellschaft mbH submitted an alternative proposal for the “Rodundwerk I, new headrace and distribution pipe system” project commissioned by Illwerke vkw AG which uses a new launch structure for an open gripper TBM. An Austrian utility model has been registered for this new development. This paper describes the process.
Im Zuge des Projekts ”Rodundwerk I, Neuer Kraftabstieg und Verteilrohrleitung” der Illwerke vkw AG hat das ausführende Unternehmen, die Fa. G. Hinteregger & Söhne Baugesellschaft mbH, ein Alternativangebot abgegeben, im Zuge dessen eine neuartige Anfahrkonstruktion für eine offene Gripper-TBM (TBM-O) eingesetzt wurde. Für diese Neuentwicklung wurde ein österreichisches Gebrauchsmuster angemeldet. Im nachfolgenden Artikel soll dieses Verfahren vorgestellt werden.

Applications of seismic measurements for the prediction of hazard zones are applied practice in many tunnel drives in rock mass today. Next to a large exploration range and accurate localisation of discontinuities, seismic data provide attributes for a comprehensive characterisation of the ground conditions. A good synchronisation of all technical components is required to obtain optimum data quality and quantity while the tunnel excavation is not obstructed thereby. Firstly, the signal source must feed as much energy as possible into the rock in a very short time. Secondly, continuity of the signal generation with constant quality and its precise timing by means of wireless data transmission also ensure a reliable measurement process. Artificial intelligence is used to determine the quality of the recorded data already in the tunnel and feedback is given to the user keeping the data quality high. From the tunnel site, recorded raw data can be transferred to a cloud, from where an authorised processor collects them, wherever in the world. An immediately started data processing delivers a result within an hour that includes a geological forecast of up to 150 m of heading, depending on the rock mass condition. In addition to data quality, the quality of the results is crucial. Therefore, techniques are currently under development using machine learning to correlate and analyse seismic attributes with geological properties. This should lead to a more objective evaluation of the geological forecast in the future.

Auf dem Weg zur Integration intelligenter Techniken für seismische Tunnelanwendungen
Seismische Messungen zur Gefahrenzonenvorhersage sind heute gängige Praxis in vielen Tunnelvortrieben. Neben einem großen Erkundungsbereich und der genauen Lokalisierung von Diskontinuitäten liefern seismische Daten eine umfassende Charakterisierung des Gebirges. Um eine optimale Datenqualität und -quantität während des Tunnelvortriebs störungsfrei zu erhalten, ist eine gute Synchronisation der Technik erforderlich. Erstens muss die Signalquelle in kürzester Zeit möglichst viel Energie in das Gestein einspeisen. Zum anderen sorgen die Kontinuität der Signalerzeugung mit konstanter Qualität und deren präzises Timing durch die drahtlose Datenübertragung für einen zuverlässigen Messvorgang. Künstliche Intelligenz bestimmt die Qualität der aufgezeichneten Daten bereits im Tunnel und gibt dem Anwender ein Feedback, um die Datenqualität hochzuhalten. Von der Tunnelbaustelle können die aufgezeichneten Rohdaten in eine Cloud übertragen werden, aus der ein autorisierter Benutzer sie abholt, egal wo auf der Welt. Eine sofort gestartete Datenverarbeitung liefert innerhalb einer Stunde ein Ergebnis, das je nach Gebirgsbeschaffenheit eine geologische Prognose von bis zu 150 m Vortrieb enthält. Neben der Datenqualität ist auch die Qualität der Ergebnisse entscheidend. Daher werden derzeit Techniken entwickelt, die mittels maschinellen Lernens die seismischen Attribute mit geologischen Eigenschaften korrelieren und analysieren. Dies soll in Zukunft zu einer objektiveren Bewertung der geologischen Vorhersage führen.

The 32.9 km long Koralm tunnel (Austria) is the core piece of the Koralm railway and will be one of the longest railway tunnels worldwide after completion. At the longest construction section “KAT2” two approx. 17 km long parallel single-track tunnels were driven by two double-shield tunnel boring machines with a diameter of about 10 m. Accompanying the tunnelling of the two tubes, the continuous Tunnel Seismic While Drilling (TSWD) method was used shortly after the start of mechanical excavation in January 2013 until the final position was reached in February 2018. The aim was to consistently explore the rock mass up to 100 m in front of the tunnel face to detect faults and water-bearing zones which were relevant for tunnel construction. Another purpose of the measurements was to reduce the number of exploration drillings ahead of the tunnel face. After an initial test phase of about 5000 m, where exploration drillings were continuously carried out parallel with TSWD, an advanced and optimized exploration concept was evaluated and performed for permanent operation. This paper summarizes the findings gained from the TSWD measurements at this tunnel site.
Der 32,9 km lange Koralmtunnel ist das Kernstück der Koralmbahn und wird nach Fertigstellung einer der längsten Eisenbahntunnel weltweit sein. Im Baulos KAT2 haben zwei Doppelschild-Tunnelbohrmaschinen mit einem Durchmesser von etwa 10 m zwei parallele eingleisige, ca. 17 km lange Tunnelröhren aufgefahren. Begleitend zum maschinellen Vortrieb der beiden Röhren kam kurz nach Vortriebsbeginn im Januar 2013 bis zum Erreichen der Endposition im Februar 2018 die kontinuierliche tunnelseismische Vorauserkundungsmethode Tunnel Seismic While Drilling (TSWD) zum Einsatz. Ziel war es, das Gebirge bis zu 100 m vor die Ortsbrust hinsichtlich bautechnisch relevanter Störungen und wasserführender Zonen zu erkunden und gleichzeitig die Anzahl der Vorauserkundungsbohrungen vor der Ortsbrust zu reduzieren. Nach einer anfänglichen Testphase auf den ersten 5000 m, in der Vorauserkundungsbohrungen kontinuierlich und parallel zu TSWD durchgeführt wurden, wurde ein optimales Vorauserkundungskonzept evaluiert und danach auf Dauerbetrieb umgestellt. Die vorliegende Arbeit fasst die aus den TSWD-Messungen gewonnenen Erkenntnisse zusammen.

The purpose of exploration drillings in tunnelling operations is to investigate rock structure, geological composition of the rock, especially with regard to fault zones, and the identification and characterisation of water-bearing zones. When determining the quality of exploration, the economic parameters must be taken into account. The application of combined exploration drilling methods allows the successful drilling of exploration drillings even in complex geotechnical and hydrogeological rock conditions. The concept provides the flexibility to switch between drilling systems and to realise probe measures tailored to the specific geology quickly and according to economic requirements. For successful exploration projects, documents and findings from past projects are used in the planning phase. The use of digital drilling data management offers enormous potential for optimising data evaluation. The determination of machine, equipment and the preparation of a drilling plan can thus be prepared much more specifically for the upcoming exploration. During execution, direct conclusions can be reached regarding e.g. drillability or drilling tool condition on the basis of the process-oriented process analysis.
Vorauserkundungsbohrungen im Tunnelbau dienen der Erkundung des Gebirgsaufbaus, der baugeologische Beschaffenheit des Gebirges, insbesondere im Hinblick auf Störzonen, sowie der Identifizierung und hydraulische Charakterisierung von wasserführenden Zonen. Mit Festlegung der Aufschlussqualität sind bauwirtschaftliche Rahmenbedingungen zu berücksichtigen. Der Einsatz kombinierter Bohrverfahren ermöglicht auch bei komplexen geotechnischen und hydrogeologischen Gebirgsverhältnissen erfolgreich Vorauserkundungsbohrungen. Mit dem Konzept ”kombiniertes Bohrverfahren” sind ein Wechsel zwischen den Bohrsystemen und auf die spezifische Geologie zugeschnittene Sondermaßnahmen schnell und bedarfsgerecht realisierbar, um somit die optimale Aufschlussqualität bei Wahrung der bauwirtschaftlichen Ziele zu erreichen. Für erfolgreiche Erkundungsvorhaben werden in der Planungsphase Unterlagen und Erkenntnisse aus vergangenen Projekten genutzt. Hierbei besteht durch den Einsatz von digitalem Bohrdatenmanagement ein enormes Optimierungspotenzial hinsichtlich der Datenauswertung. Die Bestimmung von Maschine, Ausrüstung und das Erstellen einer Bohrplanung lassen sich dadurch wesentlich spezifischer auf die bevorstehende Erkundung vorbereiten. Im Zuge der Ausführung können auf Basis der verfahrensorientierte Prozessanalyse direkte Rückschlüsse, z. B. auf Bohrbarkeit oder Bohrwerkzeugzustand, getroffen werden.

In rock formations prone to karstification there are only limited geological/hydrological principles that allow a safe prognosis of the existence and location of karstic and fault structures. A combination of geophysical borehole radar measurements utilizing both reflection and crosshole probe setups can be used to reliably detect anomalous structures, especially air-filled karstic cavities and fault zones, when a sensible measuring concept for karstified or crystalline rocks is applied. Besides the determination of the anomalous structure's location it is also possible to distinguish its type of filling. Using examples from the major railway project Albaufstieg between Wendlingen-Ulm the investigation concepts ahead of the tunnel construction are presented. The borehole radar measurements were successfully utilized during different phases of the tunnel excavation and could be integrated into the construction process without significant delays, thus contributing to a safe construction process and later operation of the tunnels. The reliability and high efficiency of these borehole radar investigation concepts places this technology of karst detection at a significant advantage over the commonly applied seismic methods, especially in karst-prone and crystalline rocks.
In verkarstungsfähigen Gesteinsformationen existieren nur eingeschränkt gültige geologisch-hydrologische Gesetzmäßigkeiten, die eine sichere Prognose der Existenz und räumlichen Lage von Karst- und Störungsstrukturen ermöglichen. Eine Kombination von geophysikalischen Bohrlochradar-Reflexionsmessungen und Bohrlochradar-Crosshole-Messungen kann bei geeigneter Anwendung eines sinnvollen Messkonzepts in verkarstungsfähigen und kristallinen Gesteinen sehr zuverlässig zur Detektion von anomalen Strukturen, insbesondere von offenen Karsthohlräumen und Störungszonen eingesetzt werden. Neben der Verortung der Lage der anomalen Strukturen zu den Bohrungen ist gleichzeitig eine Unterscheidung bezüglich des Füllzustands möglich. Anhand von Beispielen aus dem Projekt Albaufstieg des Bahnprojekts Neubaustrecke Wendlingen-Ulm werden geophysikalische Vorauserkundungskonzepte beschrieben. Die Bohrlochradar-Messungen konnten in verschiedenen Phasen der Tunnelauffahrung erfolgreich angewendet und ohne größere Verzögerung in den Baustellenablauf integriert werden, sodass sie zu einem gesicherten Vortrieb sowie zu einer sicheren Betriebsphase der Tunnel beigetragen haben. Die sehr hohe Nachweissicherheit und hohe Zeiteffizienz des Bohrlochradar-Erkundungskonzepts favorisiert diese Vorauserkundungstechnologie gegenüber dem bisher angewendeten Standardverfahren Seismik, speziell in verkarstungsfähigen und kristallinen Gesteinsformationen.

The use of geophysical methods for the planning of complex underground structures such as deep tunnels has made significant progress in the last two decades. The realization of large underground construction projects in complex geological environments has led to an increase of geophysical exploration during excavation activities, drilling, and geological documentation. The aim is to continuously update and improve the geological model in order to identify and mitigate potential risks. Flexible planning of geophysical measurements and their fast and efficient implementation are required to minimize the impact on ongoing construction works.
During construction of the Semmering Base Tunnel geophysical measurements were and are used to supplement exploratory drillings and tunnel documentation. This paper presents results from the construction lots SBT1.1 (Gloggnitz) and SBT3.1 (Grautschenhof) with an emphasis on carbonate prediction, and from the Göstritz cavern where sudden water ingress required an update of the geologic model. For each assignment a tailored-made geophysical methodology was designed and applied.

Hochspezialisierte geophysikalische Verfahren für den Tunnel- und Kavernenbau am Beispiel des Semmering Basistunnels
Der Einsatz geophysikalischer Methoden für die Planung und Durchführung komplexer Untertagebauwerke hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten etabliert. Abhängig von Geologie, Topografie und Tiefenlage des Bauwerks werden Messungen in frühen Projektphasen von der Oberfläche aus oder mit Bohrungen durchgeführt. Die Realisierung großer Tunnelprojekte in komplexer geologischer Umgebung hat in der jüngeren Vergangenheit zu einer Intensivierung der geophysikalischen Erkundung während der Vortriebsarbeiten und in Kombination mit Bohrungen sowie der geologischen Dokumentation geführt. Das Ziel ist, das geologische Baugrundmodell kontinuierlich zu verifizieren und gegebenenfalls anzupassen, um die damit in Zusammenhang stehenden Risken zu erkennen und zu reduzieren. Besondere Bedeutung hat hierbei eine flexible Planung der geophysikalischen Messungen und deren zeitnahe und effiziente Umsetzung, Auswertung und Interpretation.
Der vorliegende Artikel gibt einen Überblick über spezialisierte geophysikalische Anwendungen mit unterschiedlichen Methoden im Zuge des Vortriebs des Semmering Basistunnel. In den Baulosen SBT 1.1 (Gloggnitz) und SBT 3.1 (Grautschenhof) stand die Erkundung karbonatischer Gebirgsabschnitte im Vordergrund, während in der Schachtfußkaverne Göstritz ein plötzlicher Wassereintritt eine zusätzliche Erkundung mit geophysikalischen Verfahren erforderlich machte.

For seismic ahead-of-the-face prediction in tunnelling, sources with known properties are usually used, which, however, are not compatible with NATM. In order to integrate geophysical exploration into conventional tunnelling, the feasibility of construction machinery for generating seismic source signals was investigated. Passive monitoring during conventional tunnelling was used to analyse the seismic signals. Different radiation characteristics of drilling, blasting and bouldering could be identified and their characteristics regarding range and spectrum of the signal could be determined. In subsequent system tests, various machines used in NATM tunnelling were examined for their suitability as sources. The sensor positioning for source signal pickup was evaluated by stroke tests and during ongoing tunnelling operations. For the registration of the waves in the rock mass, different receivers with different geometries were used to characterize the wave field emitted to the front or side of the sources. In addition, the necessary processing steps were determined in order to make these signals usable for an ahead-of-the-face exploration. The results and data form a basis for further development into a practical technical solution for conventional tunnel construction.
Für seismische Vorauserkundungen im Tunnelbau werden meist Quellen mit bekannten Eigenschaften verwendet, die kaum in den laufenden NÖT-Vortriebsablauf eingebunden werden können. Um die Vorauserkundung in den Tunnelvortrieb zu integrieren, wurden konventionelle Baugeräte auf ihre Eignung als alternative Quellsignalgeber für eine begleitende seismische Messung untersucht. Ein passives Monitoring während eines laufenden konventionellen Vortriebs wurde für eine Analyse der auftretenden seismischen Signale herangezogen. Es konnten unterschiedliche Abstrahlcharakteristika von Bohren, Sprengen und Knäppern identifiziert und deren Merkmale hinsichtlich Reichweite und Signalspektrum ermittelt werden. In nachfolgenden Systemtests wurden verschiedene, im NÖT-Vortrieb eingesetzte Maschinen auf ihre Eignung als Quellen untersucht. Die Positionierung der Sensorik zur Quellsignalabnahme wurde durch Schlagtests und während laufender Vortriebsarbeiten evaluiert. Für die Registrierung der Wellen im Gebirge kamen verschiedene Aufnehmer in unterschiedlichen Geometrien zum Einsatz, um das nach vorne bzw. seitlich abgestrahlte Wellenfeld der Quellen zu charakterisieren. Zusätzlich wurden Auswertungsschritte konzipiert, um diese Signale in weiterer Folge für die Vorauserkundung nutzbar zu machen. Die Ergebnisse und Daten bilden eine Grundlage für die Weiterentwicklung zu einer praxistauglichen technischen Lösung für seismische Vorauserkundung im konventionellen Tunnelbau.

Safer tunnelling through the use of the AT - Pipe Umbrella System - Sicherer Tunnelvortrieb durch den Einsatz des AT - Rohrschirmsystems

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Zum Titelbild:
EIL (Engineering Innovation Lab) GmbH heißt das Start-up der SEH Engineering GmbH. Dass man sich hier nicht vorrangig auf existierende Techniken beruft, sondern zu den dringend erforderlichen, neuen bautechnischen Ufern aufbricht, zeigt der Space Cube mit seinem futuristischen, kubischen Raum. Eine leichte Stahlkonstruktion, großzügige Fensterfronten und eine ästhetische, hinterlüftete Metallfassade ergeben ein Gewicht, das dem Gebäude ermöglicht, auf nur acht runden Stahlstützen zu schweben. Neben zahlreichen anderen bautechnischen und ökologischen Vorteilen, die der Space Cube aufweist, stellt er auch eine Lösung für die innerstädtische Nachverdichtung dar, da die aufgeständerte Konstruktion auch schwieriges Terrain zwischen Bestandsgebäuden erschließen kann. (Foto: Hermann Kolbeck)

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