Geomechanics and Tunelling 01/2013 Free Sample Copy

1Volume 6February 2013ISSN 1865-7362

- Connecting Kashmir valley and India Verbindung zwischen Kaschmirtal und Indien

- Difficult conditions of the Šentvid tunnel, Slovenia Schwierige Verhältnisse im Sentvid-Tunnel, Slowenien

- Thirra Tunnel, Albania Thirra Tunnel, Albanien

- Tbilisi bypass project, Georgia Umfahrungsprojekt Tiflis, Georgien

- SCL structures in London Tunnelbauwerke in Spritzbeton, London

International Projects

Geomechanics andTunnellingGeomechanik

und Tunnelbau

1Bautechnik 81 (2004), Heft 1

Content

Geomechanicsand Tunnelling1

In the summer of 2009 the Thirra motorway tunnel experienced major problems in a centralstretch over 1 km: The tunnel showed severe damage, in November 2009 a 60 m long sec-tion collapsed. Great concerns called for innovative solutions in this case since the motor-way had to be open for traffic in the summer of 2010. A completely new concept modifiedthe design of the tunnel to near-circular with muck-filled bench and heading strengthenedby a shotcrete shell.

Im Sommer 2009 war der Thirra Autobahntunnel auf einer Länge von 1 km in einem kriti-schen Zustand: der Tunnel wies hier große Schäden auf, im November 2009 verbrach ein60 m langer Abschnitt der Südröhre. Da der Tunnel bereits zu den Sommerferien 2010 wie-der nutzbar sein musste, waren hier innovative Lösungen gefragt. Das Konzept beruhte aufQuerschnittsoptimierung, extrem kurzem Ringschluss und steifer Schale.

Volume 6February 2013 • No 1ISSN 1865-7362 (print)ISSN 1865-7389 (online)

Wilhelm Ernst & SohnVerlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KGwww.ernst-und-sohn.de

Wiley InterScience is now Wiley OnlineLibrary

www.wileyonlinelibrary.com, the portal for Geomechanics and Tunnelling online subscriptions.

Editor

Editorial2 Peter Schubert

There is more than one way to build a tunnelUnterschiedliche Wege führen zum Ziel

Topics

13 Wolfgang Holzleitner, Martin Kraft-Fish, Bernd Imre, Thomas PreuthAustrian tunnelling expertise connecting the Kashmir valley to IndiaÖsterreichische Tunnelbaukompetenz verbindet das Kaschmirtal und Indien

25 Jure Klopcic, Tina Živec, Marko Žibert, Tomaz Ambrozic, Janko LogarInfluence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Sentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnelEinfluss der Geologie auf die in einem Erkundungsstollen vor der Ortsbrust des Sentvid-Tunnels gemessenen Verschiebungen

48 Peter SchubertThirra Tunnel, Albania – with a straight concept to successThirra Tunnel Albanien – mit einem klaren Konzept zum Erfolg

57 Igor PrebegRailway tunnels on Tbilisi bypass project – GeorgiaEisenbahntunnel für das Umfahrungsprojekt Tiflis, Georgien

66 Panagiotis Spyridis, Ali Nasekhian, Gerald SkallaDesign of SCL structures in LondonEntwurf von Tunnelbauwerken in Spritzbeton-Bauweise am Beispiel London

Rubrics

4 News81 Conference Reports83 Product Information84 Site Report86 Diary of Events

2 © 2013 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

The tunnelling industry isvery highly internationallynetworked. When I was re-leased into the practice atthe start of the 80s, I got toknow many colleagues whohad already worked in Japan,Korea, Taiwan, USA, India,Singapore, etc. This was gen-erally connected with the ap-plication of the NATM incountries, which had less experience with it. Today, 30years later, there are still vig-

orous international business relationships in tunnelling.The former predominance of the NATM has been re-placed by a wide range of mechanical and sequential tun-nelling methods together with regional modifications ofthe basic ideas. Many consultants and construction firmsoperate in this international pond with the most variedmarket requirements and it is remarkable how our diversecolleagues are active and in demand all over the world.Projects involving participants from various countries donot generally lead to easy tasks and there are language,cultural, contractual and tax challenges on top of the usu-al technical questions.

My Call for Papers resulted in proposals from a widerange of fields. Most of the replies came from consultantswith a predominantly Austrian background. The projectsnow being presented with their geomechanical challengesare from Albania, Georgia, Great Britain, India and Slove-nia. The articles make it quite clear how varied the localconditions can be in practice and how adaptable the re-sponsible people have to be in order to achieve success.They also show that it is always a good idea to question es-tablished practice and follow new paths, or paths that havebeen opened up by others. There are usually many possi-ble approaches to the completion of a suitable tunnel.How this sometimes does not work due to mistaken con-cepts is shown by the examples from Albania and Georgia.In one case, this was a cross-section with an unfavourableshape and without ring closure, in the other a curiouslylarge support core, which obstructed sensible working.

The construction of Crossrail, one of the largest con-struction projects in Europe at the moment, is particularlyexciting. Not only are new ideas being tried out, but these

Die Tunnelbauindustrie ist sehr stark international ver-netzt. Als ich als junger Ingenieur in den 1980’er Jahrenin die Praxis entlassen wurde, lernte ich viele Kollegenkennen, die bereits in Japan, Korea, Taiwan, USA, In-dien, Singapur, usw. gearbeitet hatten. Das hatte da-mals hauptsächlich mit der Anwendung der NÖT in je-nen Ländern zu tun, wo damit noch weniger Erfahrungvorhanden war. Heute, 30 Jahre später, bestehen unver-ändert rege internationale Geschäftsbeziehungen imTunnelbau. Die einstige Alleinstellung der NÖT ist ei-nem breiten Angebot von maschinellen und zyklischenTunnelbaumethoden gewichen, und regionalen Modifi-kationen von Konzepten. In diesem internationalenTeich unterschiedlichster Marktanforderungen bewe-gen sich zahlreiche Planer und Baufirmen, und es ist er-staunlich, wo unsere Kollegen überall aktiv und gefragtsind. In der Regel sind Projekte mit Teilnehmern ausunterschiedlichen Ländern keine einfache Aufgabe undneben den technischen Fragen stehen sprachliche, kulturelle, vertragliche und steuerliche Herausforde-rungen an.

Auf meinen Call for Papers wurden Vorschläge aussehr unterschiedlichen Bereichen eingebracht. DieRückmeldungen kamen in erster Linie von Planern mitüberwiegend österreichischem Hintergrund. Die nun-mehr vorstellten Projekte und deren geomechanischeHerausforderungen stammen aus Albanien, Georgien,Großbritannien, Indien und Slowenien. Die Beiträgezeigen anschaulich, wie unterschiedlich die Randbedin-gungen sein können, und wie anpassungsfähig die han-delnden Personen sein müssen, um erfolgreich zu sein.Sie zeigen auch, dass es immer sinnvoll ist, eingefahre-ne Schienen zu hinterfragen und neue Wege zu gehenoder Wege, die andere eingeschlagen haben, mitzuge-hen. Es gibt meist viele Möglichkeiten, ein brauchbaresTunnelbauwerk herzustellen. Wie es allerdings auch be-dingt durch konzeptionelle Fehler nicht funktioniert,zeigen die Beispiele aus Albanien und Georgien. Im einen Fall ist es ein Tunnelquerschnitt mit einer sehrungünstigen Form und ohne Ringschluss, im anderenFall ein kurios großer Stützkern, der einer sinnvollenArbeitsweise im Weg steht.

Der Bau von Crossrail als das derzeit größte euro-päische Bauprojekt wird besonders spannend. Es wer-den nicht nur neue konzeptionelle Wege beschritten,diese werden auch mit zahlreichen Bauunternehmun-

Editorial

There is more than one way to build a tunnel

Unterschiedliche Wege führen zum Ziel

3Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

are being implemented by numerous contractors from var-ious countries and cultures.

The article about a large tunnel project in northernIndia places emphasis on ensuring quality by means ofcontractual incentives. There seems to be plenty of scopefor action in this case, and whoever knows the responsiblepeople will assume that this was undertaken meticulously.

The report from Slovenia concentrates on the geome-chanical aspects of deformation in front of the face of atunnel. The authors have grasped their opportunity duringthe construction of motorway tunnel and undertaken anextensive analysis.

We hope that you find the articles interesting and that youhave been able to pick a lesson from these experiences.

Peter SchubertiC consulenten ZT GesmbH

gen aus verschiedenen Ländern und Kulturen umge-setzt.

Der Artikel über ein großes Tunnelbauprojekt inNordindien hat vor allem die Sicherung der Qualitätdurch entsprechende Vertragsgestaltung im Auge. Hierscheint noch viel Gestaltungsspielraum vorhanden zusein, und wer die handelnden Personen kennt, kann an-nehmen, dass das mit Akribie betrieben wird.

Der Bericht aus Slowenien konzentriert sich aufdie geomechanischen Aspekte von Verschiebungen vorder Ortsbrust eines Tunnels. Die Autoren haben eineGelegenheit beim Bau eines Autobahntunnels amSchopf gepackt und eine umfassende Analyse be -trieben.

Wir hoffen, dass Sie Freude an den Beiträgen habenund etwas dabei ist, was auch Ihnen einen kleinen Er-kenntniszuwachs ermöglicht.

Peter SchubertiC consulenten ZT GesmbH

4 Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

News

Germany’s third longest rail tunnel in operation

The 182 km long new and upgradedline on the route Karlsruhe–Basle is thecore link in the goods route Rotterdam-Genoa. The line is being widened tofour tracks in order to provide addition-al capacity, especially for goods trafficbut also for passenger traffic. The con-struction cost of the entire project is5.7 billion EUR. The essential sectionbetween Karlsruhe and Offenburg is

After a construction period of nineyears, the third longest rail tunnel inGermany is now in operation. For theopening on 4 December 2012, two trains– a high-speed ICE and a goods train –ran parallel through the two adjacentbores of the 9,385 m long KatzenbergTunnel. The tunnel consists of twobores, each with 8,984 m of mined tun-nel and two cut-and-cover sections 286and 115 m long, 18 mined cross-passagesand two 74 m deep ventilation shafts.The tunnels were bored by two EPBshield machines with 11.12 m externaldiameter and segment lining 60 cmthick under a water pressure of up to9.2 bar, working both in open andclosed mode. In order to avoid the sonicboom effect, all portals are providedwith hood structures.

The Katzenberg Tunnel is part of theline being newly built and upgraded onthe route Karlsruhe-Basle and is situatedin the Markgräfler Land district near theSwiss border. The German government,European Union and the EU have in-vested 610 million EUR in the Katzen-berg Tunnel and its connection to theexisting Rheintalbahn line, a distance ofaltogether 17.6 km, with the structuralworks for the two single-track boresalone costing 340 m EUR.

already in operation; work is currentlyunderway on a section south of theKatzenberg Tunnel in the direction ofBasle. The precondition for the con-struction works was a financing agree-ment signed between the German gov-ernment and German Railways DB inOctober 2012. Work should start fromnext year on the 16 km northernmostsection with the Rastatter Tunnel.

Deutschlands drittlängster Bahntunnel in Betrieb

Nach neun Jahren Bauzeit ist Deutsch-lands drittlängster Bahntunnel fertig.Zur Eröffnung am 4. Dezember 2012fuhren zwei Züge – ein ICE und ein Güterzug – parallel durch die beiden nebeneinander liegenden Röhren des9.385 m langen Katzenbergtunnels. DerTunnel besteht aus zwei Röhren mit8.984 m bergmännischem Vortrieb jeRöhre und zwei offenen Bauweisen mit286 und 115 m Länge, 18 bergmänni-schen Querschlägen und zwei 74 m tie-fen Lüftungsschächten. Die Tunnel wur-den mit zwei EPB-Schilden mit 11,12 mAußendurchmesser und Tübbingausbauvon 60 cm Dicke bei einem Wasser-druck von bis zu 9,2 bar sowohl im offe-nen als auch geschlossenen Modus auf-gefahren. Zur Vermeidung des Sonic-Boom-Effektes wurden alle Portale mitHaubenbauwerken ausgestattet.

Der Katzenbergtunnel ist Teil derNeu- und Ausbaustrecke Karlsruhe-Basel und liegt im Markgräfler Land ander Grenze zur Schweiz. In den Katzen-bergtunnel und seine Anbindung an diebestehende Strecke der Rheintalbahn,insgesamt 17,6 km, investierten Bund,Europäische Union und DB 610 Mio.Euro. Allein der Rohbau der zwei ein-

Katzenberg Tunnel – west bore with connection tunnelKatzenbergtunnel – westliche Röhre mit Verbindungsstollen

An important milestone has been achieved in the upgrading of the Karlsruhe-Basle line. After nine years of construction, Germany’s third longest rail tunnel is complete. At theopening ceremony on Monday, two trains – an ICE and a goods train – ran in parallelthrough the two adjacent bores of the 9,385 m long Katzenberg Tunnel between Bad Bellin-gen and Efringen-Kirchen (district of Lörrach, Baden-Württemberg). The first passengers onthis important journey were German transport minister Dr. Peter Ramsauer, DB boss Dr.Rüdiger Grube and Baden-Württemberg’s transport minister Winfried Hermann. (photos:Deutsche Bahn AG)Wichtiger Meilenstein beim Ausbau der Strecke Karlsruhe-Basel erreicht. Nach neun JahrenBauzeit ist Deutschlands drittlängster Bahntunnel fertig. Zur Eröffnung am Dienstag fuhrenzwei Züge – ein ICE und ein Güterzug – parallel durch die beiden nebeneinander liegendenRöhren des 9.385 Meter langen Katzenbergtunnels zwischen Bad Bellingen und Efringen-Kirchen (Landkreis Lörrach, Baden-Württemberg). Erste Passagiere bei dieser symbolischenDurchfahrt waren Bundesverkehrsminister Dr. Peter Ramsauer, DB-Chef Dr. Rüdiger Grubeund Baden-Württembergs Verkehrsminister Winfried Hermann. (Fotos: Deutsche Bahn AG)

Verhältnisse erfordern über weite Stre-cken den Einsatz von Tunnelvortriebs-maschinen (TVM).

gleisigen Tunnelröhren kostete 340 Mio.Euro.

Die 182 km lange Aus- und Neubau-strecke Karlsruhe-Basel ist Herzstückdes Güterverkehrskorridors Rotterdam-Genua. Die Strecke wird viergleisig aus-gebaut, um zusätzliche Kapazitäten ins-besondere für den Güterverkehr, aber

auch für Personenfern- und Nahverkehrzu schaffen. Die Baukosten des Gesamt-projekts betragen 5,7 Mrd. Euro. We-sentliche Abschnitte zwischen Karlsruheund Offenburg sind bereits in Betrieb;gebaut wird derzeit in einem Abschnittsüdlich des Katzenbergtunnels RichtungBasel. Mit einer Finanzierungsverein -

barung zwischen Bund und DeutscherBahn im Oktober 2012 wurde die Vo-raussetzung geschaffen, ab dem kom-menden Jahr auch den 16 km langennördlichsten Projektabschnitt mit demRastatter Tunnel in Angriff nehmen zukönnen.


News

Current status of design on the Rastatt Tunnel

– Increasing the lock lengths in the con-necting tunnels from 8 to 12 m,

– Enlarging the rescue areas at the endsof the groundwater troughs,

– The construction of sonic boom struc-tures at the portals.

The Rastatt Tunnel passes below the en-tire urban area of Rastatt and the Feder-bachniederung with a length of 4,270 m.The tunnel is being designed for a run-

In the new and upgraded line on theroute Karlsruhe-Basle, the Rastatt Tun-nel is part of planning section 1.2. Thissection has had planning approval since11 August 1998, although the escape andrescue plan for the Rastatt Tunnel re-quired a new approval. The essentialchanges are:– Shortening of the spacing of the con-

necting tunnels between the tunnelbores from about 1,000 to 500 m,

ning speed of 250 km/h. According tothe terrain, the tunnel bores have anoverburden of 3 to 20 m and run mostlyin the groundwater. The subsoil consistsof sands and gravels – typical deposits ofthe adjacent Rhine. The geological andhydrological conditions require the useof a tunnel boring machine (TBM) forlone stretches.

Aktueller Planungsstand bei Tunnel Rastatt

aus Sanden und Kiesen – typische Ab -lagerungen des benachbarten Rheins.Die geologischen und hydrologischen

Im Rahmen der Ausbau- und Neubau-strecke Karlsruhe-Basel ist der TunnelRastatt Bestandteil des Planfeststellungs-abschnitts 1.2. Für diesen Abschnitt be-steht seit dem 11. August 1998 Baurecht,allerdings bedurfte ein neues Flucht-und Rettungskonzept für den TunnelRastatt der Genehmigung. WesentlicheÄnderungen sind:– Verkürzung des Abstands der Ver -

bindungsstollen zwischen den Tunnel-röhren von rund 1.000 auf 500 m,

– Die Erhöhung der Schleusenlängeninnerhalb der Verbindungsstollen von8 auf 12 m,

– Vergrößerung der Rettungsplätze an den Enden der Grundwasser -wannen,

– Bau von Sonic-Boom Bauwerken inden Tunnelportalen.

Der Tunnel Rastatt unterquert das gesamte Stadtgebiet Rastatt sowie dieFederbachniederung mit einer Längevon 4.270 m. Der Tunnel wird für eineGeschwindigkeit von 250 km/h ausge-legt. Je nach Geländeverlauf haben dieTunnelröhren eine Überdeckung von 3bis 20 m und verlaufen überwiegend imGrundwasser. Der Untergrund besteht

Layout plan of the Rastatt TunnelLageplan des Tunnels Rastatt


News

DB awards the Widderstall Tunnel (NBS)

authority in November 2008. The con-sortium under the lead of Wayss & Fre-itag won the contract in a field of eightbidders.

The tunnel will be constructed in cut-and-cover. The entire length runs paral-lel to the federal autobahn A8, whichcan be widened to six lanes after thecompletion of the tunnel. The autobahnservices area with WC and parking(PWC facilities) above the line of thetunnel will have to be closed during the

The Deutsche Bahn AG awarded theconstruction of the 962 m long Widder-stal Tunnel on the new line Wendlingen-Ulm to a consortium under the techni-cal lead of Wayss & Freytag Ingenieur-bau AG, Stuttgart at the start of Decem-ber 2012. The contract volume is about37 m EUR. The tunnel is part of the Alb-hochfläche section, the longest on theproject with a distance of 21 km. Theconstruction approval for the planningsection 2.3 was issued by the federal rail

construction works. The PWC facilitieswill be demolished before excavationand rebuilt after the completion andbackfilling of the tunnel. In order tokeep the duration of this closure asshort as possible, the tunnel is beingconstructed in two sections. The firstsection will then be backfilled with thespoil from the second section. In thisway, DB will achieve a reduction to aminimum of the area required for thetemporary storage of spoil for reuse.

DB vergibt Tunnel Widderstall (NBS)

seit November 2008 vor. Die Arbeitsge-meinschaft um Wayss & Freitag konntesich im Wettbewerb gegen acht weitereBieter durchsetzen.

Der Tunnel wird in offener Bauweisehergestellt. Er liegt in seiner gesamtenLänge parallel zur Bundesautobahn A8,die nach Fertigstellung des Tunnels aufsechs Fahrstreifen ausgebaut werdenkann. Der über dem Tunnel liegendeParkplatz der Autobahn mit WC-Anlage(PWC-Anlage) muss während der Tun-nelbauarbeiten geschlossen werden. DiePWC-Anlage wird vor dem Aushub der

Die Deutsche Bahn AG hat Anfang De-zember 2012 den Bau des 962 m langenTunnels Widderstall an der Neubaustre-cke Wendlingen-Ulm an eine Arbeitsge-meinschaft unter technischer Federfüh-rung der Wayss & Freytag IngenieurbauAG aus Stuttgart vergeben. Das Auf-tragsvolumen umfasst rund 37 Mio.Euro. Der Tunnel gehört zum Projektab-schnitt Albhochfläche, der mit 21 kmden längsten Neubaustreckenabschnittdarstellt. Das Baurecht für den betref-fenden Planfeststellungsabschnitt 2.3liegt seitens des Eisenbahn-Bundesamtes

Baugrube zurückgebaut und nach Fer-tigstellung und Verfüllung des Tunnelsneu errichtet. Um die Dauer der Schlie-ßung möglichst kurz zu halten, wird derTunnel in zwei Bauabschnitten herge-stellt. Dabei wird der erste Abschnitt mitdem Aushubmaterial des zweiten Ab-schnitts verfüllt. Damit erreicht dieBahn zugleich, dass temporäre Fläche-ninanspruchnahmen zur Zwischenlage-rung des wiedereinzubauenden Aushub-materials möglichst klein gehalten werden.


News

A14: Half-time for the refurbishment of the Pfänder Tunnel

pedestrians and some suitable for emer-gency services vehicles, between the twobores. The contractors are undertakingthe concreting works at record pace. Al-together 50,000 m2 of carriageway is be-ing laid. 80 % of the tunnel coatings arealready complete. Until summer 2013, themain works will be the electrical installa-tion and the installation of safety systemsand ventilation.

After the renewal and installation ofthe extinguishing water supply pipeline in

Between 80 and 140 people are currentlyworking at full stretch on the refurbish-ment of the first bore of the Pfänder Tun-nel. The works are right on schedule – inthe middle of 2013, a two-bore tunnel willensure improved safety and less trafficjams in the area around Bregenz The ma-jor construction works in the first bore ofthe Pfändertunnel were already complet-ed at the end of 2012. Four new cross-passages were excavated – in addition toa further eleven, some of which are for

January 2013, the new command roomfor emergency services at the north por-tal will also enter service. Together withthe existing centre in the operationsbuilding at the south portal in Weidach,an essential part of the project is the im-provement of safety. Asfinag is investing205 m. EUR in the construction of thesecond bore and the refurbishment of thefirst bore.

A14: Halbzeit bei der Sanierung des Pfändertunnels

gehbaren, teilweise mit Einsatzfahrzeugenbefahrbaren Querschlägen zwischen denbeiden Tunnelröhren. Mit wahrem Re-kordtempo bauten die Firmen die Beton-fahrbahn ein. Insgesamt mussten50.000 m2 Fahrbahn eingebaut werden.Bereits 80 % der Tunnelbeschichtung sindfertig gestellt. Bis Sommer 2013 stehenvor allem der Einbau der Elektrik, der Si-cherheitssysteme und der Lüftung an.

Nach der Erneuerung und Einbauder Löschwasserversorgung im Januar

Zwischen 80 bis 140 Personen arbeitenderzeit mit Hochdruck an der Fertigstel-lung der Sanierung der ersten Röhre desPfändertunnels. Die Arbeiten liegen abso-lut im Zeitplan – Mitte 2013 sorgt dannim Großraum Bregenz ein zweiröhrigerTunnel für mehr Sicherheit und wenigerStaus. Die größten Bauarbeiten in der ers-ten Röhre Pfändertunnel waren Ende2012 bereits abgeschlossen. Vier neueQuerschläge wurden ausgebrochen – zu-sätzlich zu den weiteren elf teilweise be-

2013 wird auch der neue Kommando-raum der Einsatzkräfte am Nordportalin Betrieb gehen. Zusammen mit der be-reits bestehenden Einsatzzentrale im Be-triebsgebäude Weidach am Südportal istdies ein wesentlicher Beitrag zur Erhö-hung der Sicherheit. In den Neubau derzweiten Röhre und die Sanierung derBestandsröhre investiert die Asfinag205 Mio. Euro.

Reißeck II: Half time at the largest power station site in Austria

In the course of next year, the maincomponents will be delivered to thepower house on heavy goods trans-porters and installed. After completion,the power station will have two powerfulpump-turbines, motor generators andblock transformers with a weight ofmore than 200 tonnes each to be in-stalled in their own transformer cavernin the heart of the mountain.

In operation as a power station,Reißeck II will cover peaks of electricitydemand by using water from the upperbasin at 2,300 m above sea level to drive

At the highest power station site in Aus-tria, the successful completion of tun-nelling works in the mountain were cele-brated on St. Barbara’s day. In additionto the large power house with a heightof 39 m for the new Reißeck combinedpumped storage works, an extensive tun-nel system has been constructed insidetwo years with a total length of almost9 km by drill and blast or boring. A tun-nel boring machine 220 m long with aweight of more than 800 t was used,which had to be assembled at an alti-tude of 2,200 m above sea level.

the turbines in the mountain at 1,600 m.If, on the other hand, more electricity isavailable in the European grid than isrequired at the time, then Reißeck II canbe switched to pumping operation andpump the water back from the lowercompensation basin to the upper basin.The total investment in the 430 MWpumped storage power station ReißeckII with a volume of 385 m. EUR is beingborne by the Verbund (Alliance), Kelagand Energie AG Oberösterreich. Themost modern pumped storage scheme inAustria will start operation in 2014.

Reißeck II: Halbzeit auf Österreichs größter Kraftwerksbaustelle

Im Lauf des nächsten Jahres werdendie Hauptkomponenten mittels Schwer-transporten bis hinauf in die Kraft-werkskaverne angeliefert und eingebaut.Das Kraftwerk verfügt nach der Fertig-stellung über jeweils zwei leistungsstarkePumpturbinen, Motor-Generatoren so-wie jeweils mehr als 200 Tonnen schwe-re Blocktransformatoren, die in einer eigenen Trafokaverne im Inneren desBergs installiert werden.

Im Kraftwerksbetrieb wird Reißeck IIStrombedarfsspitzen decken, indemWasser aus dem Oberbecken in 2.300 mSeehöhe zu den Turbinen im Berg auf

Auf Österreichs höchstgelegener Kraft-werksbaustelle wurde am Barbaratagder erfolgreiche Abschluss der Vortriebs-arbeiten im Berg gefeiert. Neben dergroßen Kraftwerkskaverne mit einer Höhe von 39 m für das neue Verbund-Pumpspeicherkraftwerk Reißeck wurdeinnerhalb von zwei Jahren ein weitläufi-ges Stollensystem mit einer Gesamtlän-ge von knapp 9 km in den Berg ge-sprengt bzw. gefräst. Zum Einsatz kamauch eine 220 m lange und mehr als800 t schwere Tunnelbohrmaschine, diein einer Seehöhe von 2.200 m zusam-mengebaut wurde..

1.600 m Seehöhe geleitet wird. Ist hinge-gen zu verbrauchsschwachen Zeitenmehr Strom im europäischen Netz vor-handen, als benötigt wird, dann kannReißeck II auf Pumpbetrieb geschaltetwerden und Wasser aus dem unterenAusgleichsbecken zurück in das Ober -becken pumpen. Die Gesamtinvestitionfür das 430 MW Pumpspeicherkraft-werk Reißeck II in Höhe von 385 Mio.Euro wird gemeinsam von Verbund, Kelag und Energie AG Oberösterreichgetragen. Österreichs modernstes Pump-speicherkraftwerk wird im Jahr 2014 inBetrieb gehen.


News

Construction contract awarded for the Stadtbahn Dortmund

2014. As part of the contract, the currentoverground urban railway will be divert-ed into a cut-and-cover tunnel. Alpinewill build two 150 m troughs, a tunnelwith a length of 268 m and associatedroads and drainage works. The public

The construction company Alpine hasbeen awarded a contract for a partialsection of the S-Bahn (urban rail) line1a, with a contract volume of 11.5 mEUR. The works started in January 2013and should be completed by the end of

transport system in the city of Dort-mund has been successively improvedsince 1969 and now has a networklength of 75 km; a good quarter ofwhich runs underground.

Bauauftrag für Stadtbahn Dortmund vergeben

des Auftrags wird die zurzeit oberirdischverlaufende zweigleisige Stadtbahnliniein offener Bauweise in Tieflage geführt.Alpine wird zwei 150 m lange Trogbau-werke, ein Tunnelbauwerk mit einerLänge von 268 m sowie Straßen und Kanalarbeiten durchführen. Die Nah-

Der Baukonzern Alpine erhielt den Auftrag von der Stadt Dortmund zumBau eines Teilabschnitts der Stadtbahn-linie 1a. Das Auftragsvolumen beträgt11,5 Mio Euro. Die Bauarbeiten began-nen im Januar 2013 und sollen bis Ende2014 abgeschlossen sein. Im Rahmen

verkehrsysteme der Stadtbahn Dort-mund wird seit 1969 sukzessive ausge-baut: Mittlerweile besitzt das Netz eineLänge von 75 km; ein gutes Viertel desStreckennetzes wird unterirdisch ge-führt.

Strabag wins a contract for part of the Westbahn line

After the opening of the high-speed line through the Tullner-feld, ÖBB Infrastruktur AG is extending the Westbahn linestill further. The Austrian construction company Strabag AGden has been awarded a contract for the construction of thewestern section between St. Pölten and Loosdorf, with a vol-ume of € 32.6 m. An essential part of this contract is theconstruction of the Radleiten Tunnel, Radleitenwanne withwild animal bridge and the Bründlkapellen Tunnel. The pro-ject also includes not only reinforced concrete structures butearthworks, track, drainage, road works and the construc-tion of noise protection measures.

The closing of the gap St. Pölten-Loosdorf (formerly theSt. Pölten goods bypass) will considerably reduce the nui-sance at St Pölten station and its surroundings from heavygoods and transit traffic from 2017. Goods trains will run fora distance of 24.7 km around the centre of St. Pölten on thenew two-track line. The line is being built as part of the four-

Strabag erhält Auftrag für Teilstück der Westbahn

Nach Eröffnung der Hochleistungstrecke durch das Tullner-feld baut die ÖBB Infrastruktur AG die Westbahnstrecke wei-ter aus. Hier erhielt das österreichische BauunternehmenStrabag AG den Auftrag über die Errichtung des Teilab-schnitts West zwischen St. Pölten und Loosdorf. Das Auf-tragsvolumen beträgt € 32,6 Mio. Wesentlicher Bestandteildes Auftrags ist die Errichtung des Radleitentunnels, der Rad-leitenwanne mit Wildbrücke und des Bründlkapellentunnels.Darüber hinaus umfasst das Projekt neben Stahlbetonobjek-ten auch Erdarbeiten und Gleisunterbauten, Entwässerungs-anlagen, Straßenbauarbeiten und den Bau von Lärmschutz-maßnahmen.

Durch den Lückenschluss St. Pölten-Loosdorf (vormalsGüterzugumfahrung St. Pölten) werden die Belastungen desGüter- und Durchgangsverkehrs für den Bahnhof St. Pöltenund seine Anrainer ab 2017 deutlich reduziert. Auf der zwei-gleisigen Neubaustrecke werden die Güterzüge auf einerLänge von 24,7 km um das Stadtzentrum St. Pölten geleitet.Die Strecke wird im Rahmen des viergleisigen Ausbaues derWestbahn errichtet und ist Bestandteil des Abschnitts Wien-Salzburg. Sie schließt im Osten über den Knoten Wagram andie bestehende Westbahn an. Im Westen erfolgt die Verknüp-fung mit der Bestands strecke im Bereich Loosdorf.

track improvement of the Westbahn line and is part of the sec-tion Vienna-Salzburg. This links to the existing Westbahn inthe west at the node at Wagram. In the west, there is a link tothe existing line near Loosdorf.


News

Development of resource-efficient and advanced underground technologies – Montan Universität Loebencoordinates the EU-Project DRAGON

ability of the excavated material for dif-ferent recycling options.

A downstream underground separa-tion plant will handle the material de-pending on the online test results andrequirements for intended re-use eitheras concrete aggregates on site or in vari-ous other industrial sectors. All systemswill be mounted directly on the backupsystem of the tunnel boring machineand will thus need to be adapted to theharsh environmental conditions andspace restrictions underground.

Methods of Life Cycle Assessment(LCA) and Mass Flow Analysis will beused to compare different scenarios ofre-use/recycling or disposal of the exca-vation material.

The DRAGON project will foster sus-tainable domestic supply of mineral re-sources within the EU by maximizingthe re-use and recycling of excavationmaterials both on site and in a widerange of industrial sectors. This ap-proach to create valuable secondarymineral resources is estimated to gener-ate a direct annual value of around150 mio Euro.

In the near future Europe’s undergroundconstruction industry is expected to ex-cavate around 800 mio tons of mineralresources from tunnels, metros and oth-er underground constructions. Current-ly, this excavation material is usually dis-posed of in landfills. Efficient re-use andrecycling on site or in other industrialsectors is therefore of great economicand environmental interest. This ap-proach would substitute a large amountof primary mineral resources and sub-stantially reduce environmental prob-lems and CO2 emissions involved inlandfilling and transport.

The DRAGON project (Developmentof Resource-efficient advance under-ground technologies) is aimed at achiev-ing resource efficiency in tunnelling andother underground constructionprocesses by turning the excavation ma-terial into a valuable resource for otherprocesses and sectors such as the ce-ment, steel, ceramic or glass industries.The project sets out to solve this chal-lenge by developing a prototype systemfor the automated online analysis, sepa-ration and recycling of excavated mate-rials in underground construction sites.The entire chain from characterisationto classification and processing of theexcavated material will be conductedcompletely underground.

The use of excavation material forvarious purposes is designed to save nat-ural primary resources while also pro-viding a high economic value.

Another important objective is to as-sess the resource efficiency of differentusage scenarios on a quantifiable basisand thus provide a sound basis for deci-sion making by authorities.

Photo-optical technologies, x-ray,gamma-ray and microwave units will beused to analyse the continuous massflow of material directly behind the cut-ter head. This automated online sam-pling and characterisation of physical,chemical and mineralogical propertiesprovides the basis for assessing the suit-

The automated online analysis andprocessing units to be developed withinthe DRAGON project will constitute areal breakthrough in the undergroundconstruction sector. This will help Euro-pean companies to gain innovation lead-ership and strengthen their competitiveposition in this promising market.

The key environmental benefits in-clude a substantial reduction in environ-mental pollution, CO2 emissions andland use for the disposal of excavationmaterial thus approaching the aim ofachieving zero waste in undergroundconstruction.

Project partners:Montanuniversität Leoben (Coordination)Porr Bau GmbHHerrenknecht AGB+G Betontechnologie + Material -bewirtschaftungJacques Burdin Ingenieur ConseilPE North West Europe LimitedFurther information: www.dragonproject.eu

A large group of scientists will focus its research on the resource-efficient use of ex cavatedmaterial out of underground works in the project DRAGON (Foto: Montan Universität Loeben)

Hochtief to build hydropower station in South America

station contract in South America afterthe La Confluencia hydropower stationin Chile that they completed in 2011and the Cheves power station being con-structed in parallel in Peru.

Hochtief Solutions will start work on the new power station in 2013. Theproject includes two complex contractsin the Andes about 50 km southeast

Hochtief Solutions together with a part-ner has won a contract for the construc-tion of the Alto Maipo hydropower sta-tion in Chile. The volume of the projectnear Santiago is about 215 m. EUR, ofwhich about 150 m. EUR is forHochtief. The client is the Chilean ener-gy company A.E.S. Gener. The companyfrom Essen has now won another power

of Santiago at an altitude of about2,500 m. The essential components arethe intake structure, altogether 18.5 kmof tunnel driving and a 5 km long steelpipeline. In addition, the consortiumwill undertake the detailed design. Con-struction of the 531MW power stationwill be completed in 2017.


News

3rd International Conference on Computational Methods in Tunnelling and Subsurface Engineering (EURO:TUN 2013)

demonstrated considerable demand forbasic research in the field of computermethods in tunnelling. In SFB 837, theemphasis is on the model-based simula-tion of the manifold interactions be-tween the ground, tunnelling processand overground building in mechanisedtunnelling.

The “Third International Conferenceon Computational Methods in Tun-nelling and Subsurface Engineering”(EURO:TUN 2013), to be held from 17to 19 April 2013 at the Ruhr University,Bochum, offers a forum for universities,research institutes, consultants and soft-ware companies to report and discusscurrent research and development workin the field of computer-assisted modelsand methods for the design, construc-tion and maintenance of undergroundinfrastructure. The broad range of sub-

Realistic numerical models and simula-tion methods have now become essen-tial tools for reliable forecasting in un-derground construction, both in the de-sign and construction phase and in theoperational phase. With the increasinglystringent requirements for the construc-tion of underground infrastructure andthe progress in tunnelling technology,the challenges presented for the qualityof advance investigation and numericalprognosis models in underground con-struction also increase. This has result-ed in continuous progress in the field ofcomputer-supported methods in under-ground construction, not only in practi-cally based research and development.For example, the DFG special researcharea 837 “Interaction models for mecha-nised tunnelling”, established in 2010 atthe Ruhr University, Bochum, has

jects covered includes multi-scale space-time discretisation methods in under-ground construction, numerical model-ling of geological materials, support andlining measures, computer-assistedmethods of simulating and monitoringtunnel drives and logistic processes. Inaddition, numerical methods of risk esti-mation, parameter identification and un-certainty analysis, advance probingmethods and lifecycle management aredealt with. EURO:TUN 2013 is a “The-matic Conference” of the EuropeanCommunity on Computational Methodsin Applied Sciences (ECCOMAS). It issupported by ECCOMAS, by the Inter-national Tunneling Association (ITA),the Ruhr University, Bochum and theSFB 837.

Further information: www.eurotun2013.rub.de

3rd International Conference on Computational Methods in Tunnelling and Subsurface Engineering (EURO:TUN 2013)

Computermethoden im Tunnelbau be-steht. Im SFB 837 liegt der Fokus aufder modellbasierten Erfassung der man-nigfaltigen Interaktionen zwischen demBaugrund, dem Vortriebsprozess undder oberirdischen Bebauung im maschi-nellen Tunnelbau.

Die vom 17. bis 19. April 2013 an derRuhr-Universität Bochum veranstaltete„Third International Conference onComputational Methods in Tunnellingand Subsurface Engineering“(EURO:TUN 2013) bietet ein Forum fürUniversitäten, Forschungsinstitute, Inge-nieurbüros sowie Softwareunterneh-men, um über aktuelle Forschungen undEntwicklungen im Bereich computerge-stützter Modelle und Methoden für Pla-nung, Herstellung und Erhaltung unter-irdischer Infrastruktur zu berichten unddiskutieren. Das breit angelegte The-menspektrum beinhaltet unter anderemskalenübergreifende räumlich-zeitliche

Wirklichkeitsnahe numerische Modelleund Simulationsmethoden sind heuteunverzichtbare Werkzeuge für zuverläs-sige Prognosen im unterirdischen Bauensowohl in der Planungs- und Herstel-lungsphase als auch Betriebsphase. Mitwachsenden Anforderungen beim Bauunterirdischer Infrastruktur und Fort-schritten in der Vortriebstechnologiesteigen die Herausforderungen an dieQualität der Vorauserkundung und nu-merischer Prognosemodelle im unterir-dischen Bauen. Nicht nur in der praxis-nahen Forschung und Entwicklung sinddaher stetige Fortschritte im Bereichcomputergestützter Methoden im Unter-irdischen Bauen zu verzeichnen. Sozeigt der im Jahr 2010 an der Ruhr-Uni-versität Bochum etablierte DFG-Sonder-forschungsbereich 837 „Interaktions -modelle für den maschinellen Tunnel-bau“, dass erheblicher Bedarf an Grund-lagenforschung im Bereich der

Diskretisierungsmethoden im unterirdi-schen Bauen, numerische Modellierunggeologischer Materialien, Stützungs-undAusbaumaßnahmen, computergestützteMethoden für Vortriebssimulation und -kontrolle sowie Logistik-Prozesse. Da-rüber hinaus werden numerische Metho-den für die Risikoabschätzung, Para -meteridentifikation, und Unschärfebe-trachtung, Vorauserkundungsmethodenund Life-Cycle-Management behandelt.EURO:TUN 2013 ist eine ,,ThematicConference“ der European Communityon Computational Methods in AppliedSciences (ECCOMAS). Sie wird nebender ECCOMAS auch von der Internatio-nal Tunneling Association (ITA), derRuhr-Universität Bochum sowie demSFB 837 unterstützt.

Weitere Informationen:www.eurotun2013.rub.de

Hochtief baut Wasserkraftwerk in Südamerika

gestellten Wasserkraftwerk La Confluen-cia in Chile und dem parallel in Peru inErstellung befindlichen WasserkraftwerkCheves einen weiteren Auftrag aus demBereich der Energieinfrastruktur in Süd-amerika.

Hochtief Solutions wird mit den Ar-beiten für das neue Kraftwerk im Jahr2013 beginnen. Das Projekt umfasstzwei komplexe Baulose in den Anden

Hochtief Solutions hat gemeinsam miteinem Partner den Zuschlag zum Baudes Wasserkraftwerks Alto Maipo inChile erhalten. Das Auftragsvolumendes Projekts nahe Santiago beträgt rund215 Mio. Euro. Davon entfallen etwa150 Mio. Euro auf Hochtief. Bauherr istdas chilenische EnergieunternehmenA.E.S. Gener. Der Essener Konzern er-hält damit nach dem bereits 2011 fertig-

zirka 30 km südöstlich von Santiago inrund 2.500 m Höhe. Wesentliche Ele-mente sind die Einlaufbauwerke, insge-samt 18,5 km Tunnelvortrieb sowie eine5 km lange Stahlpipeline. Zudem wirddas Konsortium die Ausführungspla-nung übernehmen. Die Bauarbeiten fürdas 531-Megawatt-Kraftwerk werden2017 abgeschlossen.


News

Issue Publication date Topics

2/13 April 2013 Czech tunnel projectsTchechische Tunnelprojekte

3/13 June 2013 South American FocusSchwerpunkt Südamerika

4/13 August 2013 Ground improvementBaugrundverbesserung

5/13 October 2013 Proceedings of the 62nd Geomechanics ColloquiumBeiträge des 62. Geomechanik Kolloquiums

6/13 December 2013 Koralm tunnel and Semmering base tunnelKoralmtunnel und Semmering-Basistunnel

Themen für die nächsten Ausgaben der „Geomechanics and Tunnelling“

Tel. +43 (0) 38 42 – 4 02 34 00, Fax +43 (0) 38 42 – 4 02 34 02, [email protected]) oder Dr. Andreas Goricki(3G Gruppe Geotechnik Graz ZTGmbH, Triesterstraße 478a, A-8055 Graz-Seiersberg, Österreich,

Die Schwerpunktthemen für die nächs-ten Ausgaben der „Geomechanics andTunnelling“ sind in der untenstehendenTabelle zusammengefasst. Das Redak -tionsteam bittet um Beitragsvorschläge.Unter Berücksichtigung des Reviewssollten die Beiträge mindestens vier Monate vor dem Erscheinungstermineingereicht werden. Beiträge nehmenRedaktion (Verlag Ernst & Sohn, Dr. Helmut Richter, Rotherstraße 21, 10245 Berlin, Deutschland, Tel. +49 (0) 30 – 47 03 12 65, Fax +49 (0) 30 – 47 03 12 70,[email protected]), Professor Robert Galler(Montanuniversität Leoben, Lehrstuhlfür Subsurface Engineering – Geotech-nik und unterirdisches Bauen, Erzherzog Johann Straße 3, A-8700 Leoben,

Tel. +43 (0) 3 16 – 33 77 99, Fax +43 (0) 3 16 – 33 77 99 11, [email protected]) gerne entgegen. Darüber hinaus sind Baustellenreporta-gen, technische Berichte und Mitteilun-gen aus der Industrie jederzeit willkom-men.

Call for papers – Themes for the next issues of Geomechanics and Tunnelling

Dr. Helmut Richter, Rotherstraße 21, D-10245 Berlin, Germany, Tel. +49 – 30 – 47 03 12 65, Fax +49 – 30 – 47 03 12 70,[email protected]), Professor Robert Galler(University of Leoben, Chair for Subsurface Engineering – Geotechnics and Underground Con-struction, Erzherzog Johann Straße 3, A-8700 Leoben, Austria, Tel. +43 – 38 42 – 4 02 34 00,

The table below shows the themes forthe next issues of “Geomechanics andTunnnelling”, selected by the editingteam, and contributions are now beingcalled for. All papers received will firstbe reviewed prior to publication. In viewof the time required to complete this ex-ercise, all contributions should be sub-mitted at least four months before thepublication date. Papers can be submit-ted either to the editors (Verlag Ernst & Sohn,

Fax +43 – 38 42 – 4 02 34 02,[email protected]) or to Dr. Andreas Goricki(3G Gruppe Geotechnik Graz ZTGmbH, Triesterstraße 478a, A-8055 Graz-Seiersberg, Austria, Tel. +43 – 3 16 – 33 77 99, Fax +43 – 3 16 – 33 77 99 11, [email protected]). Site reports, technical reports and newsitems from the construction industry areof course also welcome.

Herrenknecht takes over Techni-Métal Systemes

Herrenkencht and Techni-Métal Sys-temes SAS (TMS) have been cooperat-ing since 2007 on international projectsin the Netherlands, Malaysia and Rus-sia. About 209 engineers and specialistsfrom TMS are bringing their expertise inengineering, design and vehicle assem-bly. TMS vehicles have their own power

In December 2012. Herrenknecht AGtook over the French manufacturer oftunnel supply vehicles Techni-Métal Systemes SAS (TMS). Techni-Métal Sys-temes SAS (TMS) designs and makeswheeled special vehicles, which do notrun on tracks, used in tunnels for thetransport of personnel and materials.

unit and double driver’s cabs, with thepower being transferred through articu-lated axles. As directors of TMS, indus-trial engineer (FH) Philippe Fraunhoferand mechanical engineer Pierre-Matthieu Hieber will be running thecompany.

Herrenknecht übernimmt Techni-Métal Systemesrial verwendet werden. Seit 2007 koope-rieren Herrenkencht und Techni-MétalSystemes SAS (TMS) im Rahmen voninternationalen Projekten in den Nie-derlanden, Malaysia und Russland.Rund 20 Ingenieure und Spezialistender TMS bringen nun ihr Fachwissen imEngineering, in der Konstruktion und inder Fahrzeugmontage ein. TMS Fahr-

Im Dezember 2012 hat die Herren-knecht AG den französischen Herstellervon Tunnelversorgungsfahrzeugen Tech-ni-Métal Systemes SAS (TMS) übernom-men. Die Techni-Métal Systemes SAS(TMS) konstruiert und produziert bereif-te, nicht schienengebundene Spezial-fahrzeuge, die auf Tunnelbaustellen fürden Transport von Personen und Mate-

zeuge verfügen über einen Selbstantriebund Doppelfahrerkabinen, die Kraft-übertragung erfolgt mittels gelenkterAchsen. Als Direktoren der TMS über-nehmen Diplom-Wirtschaftsingenieur(FH) Philippe Fraunhofer und Maschi-nenbauingenieur Pierre-Matthieu Hieberdie Geschäftsführung.

13© 2013 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 1

When completed, the 292 km long Udhampur-Srinagar-BaramullaRail Link Project will connect towns in the Kashmir Valley to thelowlands of India. The Government of India declared the railwayas a “Project of National Importance” in March 2002. In October2009 a 119 km section was put into operation. Works are expect-ed to be completed by 2018. Austrian and other European consultants have been active on the project since its inception. This report concerns the design ofa 15 km long central section of the railway between the Sumberand Arpin chala stations awarded to Bernhard Ingenieure ZTGmbH in 2012. Out of a total length of 15 km, 13.0 km are in tun-nels, 0.9 km bridges, and the remainder are stations. The align-ment section lies in the young Himalaya, passing through moun-tains on the western side of the Chenab River. Geological condi-tions are therefore demanding and tectonic activity is frequent. Although design is ongoing, this report presents the approachtaken by the consultant in fieldwork, project optimisation, designand contractual specifications. The issue of muck disposal is alsodiscussed.

1 Project background and motivation

The State of Jammu and Kashmir (J&K) is the northern-most part of India, extending deep into the Himalaya. ThePir Panjal Range separates the Kashmir Valley from thelowlands of India. The state’s summer capital, Srinagar, iseasiest reached by road through the Kashmir Valley fromPakistan. From the Indian lowlands, all roads to Srinagarcross high mountain ranges, most notably the NationalHighway 1A from Udhampur over the Pir Panjal range.This highway, dating back to the time of British occupa-tion, cannot cope with current traffic volumes (Fig. 1). It isconsidered one of India’s most dangerous highways, regu-larly blocked by rock falls, landslides and avalanches. Inwinter, the route is often blocked by heavy snowfall. Ifconditions are favourable, a car journey from Udhampurto Srinagar (approx. 300 km) on the NH 1A takes a fullday.

An alternative to the NH 1A is the even more haz-ardous Leh-Manali Highway from Himachal Pradesh.This route, crossing the Rohtang and Taglang Passes, isthe highest major road in the world and impassable in win-ter.

The political situation in the region is tense; parts ofJ&K are claimed by Pakistan and China. Although the pro-ject is located in the relatively secure “Indian-adminis-

Nach ihrer Fertigstellung wird die 292 km lange EisenbahnstreckeUdhampur-Srinagar-Baramulla das Kaschmirtal mit dem indi-schen Tiefland verbinden. Aufgrund seiner sozio-ökonomischensowie strategischen Bedeutung deklarierte die indische Regie-rung das Projekt im März 2002 als „Projekt von nationaler Bedeu-tung“. Im Oktober 2009 konnte ein erster, 119 km langer Teilab-schnitt in Betrieb genommen werden. Der Abschluss aller Arbei-ten ist für das Jahr 2018 geplant.Österreichische und weitere europäische Beratungsgesellschaf-ten sind von Beginn an in dieses Projekt involviert gewesen. DieBernard Ingenieure ZT GmbH mit Sitz in Hall in Tirol gewann 2012den Bieterbewerb für ein 15 km langes Teilstück zwischen denBahnhöfen von Sumber und Arpinchala. Ausgewählte technischeund vertragliche Herausforderungen dieses Teilstücks im Hoch-gebirge, das sich auf etwa 13 km Tunnelstrecke, etwa 0,9 km Brü-ckenbauwerke und zwei Bahnhofsbereiche verteilt, ist Gegen-stand dieses Berichts. Die Trasse befindet sich in der so genann-ten Young Himalaya Range in der Bergregion westlich des Che-nab Flusses. Aufgrund der immer noch aktiven Gebirgshebungsind die topographischen, naturgefahrenkundlichen und geologi-schen Randbedingungen herausfordernd.

1 Hintergrund und Motivation

Der Bundesstaat Jammu und Kaschmir (J&K) ist der nord-westlichste Indiens und reicht vom Tiefland rund um die(Winter-) Hauptstadt Jammu bis weit in den Himalaya insKashmir-Tal rund um die (Sommer-) Hauptstadt Srinagar.Zwischen diesen Städten bildet die Pir Panjal Gebirgs ketteeine topographische Barriere mit Gipfeln bis über 5.000 mHöhe. Die einfachste Straßenverbindung ins Kaschmir-Talwäre über Pakistan. Auf indischem Staatsgebiet windetsich jedoch der National Highway 1A (NH-1A) aus Ud-hampur über den Pir Panjal (Bild 1). Diese Straße stellt imGrunde die einzige ganzjährig offene Verbindung insKashmir-Tal auf indischem Territorium dar und ist dahervon entsprechender sozioökonomischer als auch strategi-scher Bedeutung. Als Handelsweg für 6 Millionen Einwoh-ner im indischen Kashmir Tal kann diese Straße schonheute das Verkehrsaufkommen nicht mehr aufnehmen, ge-schweige denn ein weiteres demographisches als auch wirt-schaftliches Wachstum dieser doch recht aufstrebendenRegion. Als eine der gefährlichsten Straßen Indiens ist siezudem regelmäßig durch Steinschlag, Murgang oder imWinter durch Lawinen und Schneefälle blockiert. Selbst

Topics

Austrian tunnelling expertise connecting the Kashmir valley to India

Österreichische Tunnelbaukompetenz verbindet das Kaschmirtal mit Indien

DOI: 10.1002/geot.201300003Wolfgang HolzleitnerMartin Kraft-FishBernd ImreThomas Preuth


W. Holzleitner/M. Kraft-Fish/B. Imre/T. Preuth · Austrian tunnelling expertise connecting the Kashmir valley to India

tered Kashmir”, terrorist activities are a concern. The sec-tion described in this report lies within the mainly HinduRamban district. The proportion of Muslims increases asthe alignment proceeds northwards. The majority of thepopulation in the neighbouring Doda and Anantang dis-tricts is Muslim. Almost 96 % of the 283,300 population inthe Ramban district live in rural areas [1] [2].

The geo-political situation and difficulties of travel inthe region mean that the Udhampur-Srinagar-BaramullaRail Link Project (USBRL) is of great socio-economic andstrategic importance. When completed, the railway willenable the quick mobilisation of troops into the westernand northern parts of J&K.

2 Project description

The 292 km long USBRL follows a similar route to thattaken by the NH 1A, crossing the Pir Panjal Range close tothe Banihal pass (2,832 m a.s.l.). The Government of In-

bei guten Bedingungen benötigt man für die 300 km Dis-tanz zwischen Jammu und Srinagar einen vollen Tag.

Als Alternative zur NH-1A steht lediglich der als nochgefährlicher zu betrachtende Leh-Manali Highway zurVerfügung. Diese Straße überquert die Rohtang und Tag-lang Pässe und ist damit einerseits eine der höchstgelege-nen Straßen der Welt, andererseits daher aber im Winterauch unpassierbar.

Die politische Situation in der Region ist immer nochangespannt; Teilgebiete von J&K werden von Pakistan undChina beansprucht. Das vorgestellte Projektgebiet befin-det sich hauptsächlich im hinduistisch geprägten BezirkRamban. Nach Norden hin steigt der Anteil der Menschenmuslimischen Glaubens an. In den angrenzenden Bezir-ken Doda und Anantang sind vorwiegend Menschen mus-limischen Glaubens ansässig. Fast 96 % der 283.000 Ein-wohner im Bezirk Ramban leben in ländlichen Gegenden[1] [2].

Die momentan vorliegende geostrategische Situationund die übermaßen strapazierte Verkehrssituation zeigendie herausragende sozioökonomische und strategischeBedeutung des Udhampur-Srinagar-Baramulla Rail LinkProject (USBRL) auf und erklären die Deklaration desProjekts als „Unternehmung von nationaler Bedeutung“durch die indische Regierung im März 2002.

2 Projektbeschreibung

Die 292 km lange USBRL folgt einer Route ähnlich derdes NH 1A und unterquert die Pir Panjal Kette nahe desBanihal Passes (2.832 m ü.M.). Alle Tunnel der Streckesollen nach den Grundsätzen der NÖT aufgefahren wer-den. Die Strecke ist in drei Teilabschnitte unterteilt (Ta-belle 1).

Die 119 km lange Strecke zwischen Qazigund undBaramulla wurde im Oktober 2009 in Betrieb genommen.Die gesamte Strecke soll 2018 fertiggestellt werden. DieserBericht konzentriert sich auf den zweiten Teilabschnitt,insbesondere die 15 km lange Strecke zwischen den Bahn-

Fig. 1. Typical traffic conditions on the NH 1ABild 1. Beispielhafte Verkehrssituation auf der NH 1A

Table 1. Sections of the USBRL, derived from [3]Tabelle 1. Abschnitte der USBRL, abgeleitet von [3]

Leg Executing company Estimated lengths Estimated number of tunnels of bridges

Abschnitt Ausführendes Voraussichliche Voraussichliche Unternehmen Tunnellängen [km] Anzahl an Brücken

Leg 1: 25 km from Udhampur to KatraAbschnitt 1: 25 km Northern Railway 10.90 38von Udhampur nach Katra

Leg 2: 148 km from Katra to Qazigund Northern RailwayAbschnitt 2: 148 km KRCL 109.60 119von Katra nach IRCONQazigund

Leg 3: 119 km from Qazigund to BaramullaAbschnitt 3: 119 km IRCON 0 704von Qazigund nach Baramulla



dia declared the railway as a “Project of National Impor-tance” in March 2002. All tunnels on the alignment are be-ing constructed by NATM.

The alignment is split into three legs, as shown inTable 1. The 119 km long Qazigund–Baramulla enteredoperation in October 2009. Completion of the entire align-ment is expected by 2018. This paper focuses on Leg 2, inparticular the 15 km long section of the railway betweenthe Sumber and Arpinchala stations, which is currently be-ing designed by Bernard Ingenieure ZT GmbH (Austria).The client, IRCON, is an undertaking of the Governmentof India. Regarding its ownership and activities, it is com-parable to undertakings in Austria such as the former HL-AG or BEG.

Other European consultants have also worked onLeg 2. Between 2008 and 2010, Amberg Engineering Ltd.(Switzerland) studied the alignment and recommended al-ternatives for this section. A key structure on the align-ment, the 11 km Pir Panjal Tunnel, the longest railway tun-nel in India and second longest in Asia, was designed bythe Austrian company Geoconsult ZT GmbH. Construc-tion of this tunnel was the first large-scale use of NATMfor excavation and support of a railway tunnel in India. Italso has the highest overburden of any tunnel in India(1,100 m) [3]. Excavation was completed in October 2011,and lining works are currently in progress.

The Swiss consultancy Lombardi designed the10.1 km long T-48 tunnel and Geodata S.p.A. (Italy) the8.6 km long T-74R tunnel.

höfen von Sumber und Arpinchala, die gerade von der Ber-nard Ingenieure ZT GmbH geplant wird. Der Auftrag -geber, IRCON, ist ein Staatsunternehmen der indischenRegierung. Die Aktivitäten und Eigentumsverhältnissesind mit österreichischen Unternehmen wie der ehemali-gen HL-AG oder BEG vergleichbar.

Auch andere europäische Beratungsunternehmen ha-ben am Teilabschnitt 2 gearbeitet. Zwischen 2008 und2010 wurde eine Trassenstudie inklusive möglicher Alter-nativen von der Amberg Engineering Ltd. (Schweiz)durchgeführt. Ein Schlüsselbauwerk der Strecke, der11 km lange Pir Panjal Tunnel, längster EisenbahntunnelIndiens und zweitlängster Asiens wurde von der österrei-chischen Geoconsult ZT GmbH geplant. Der Bau diesesTunnels war der erste NÖT-Vortrieb Indiens. Zusätzlich istes der Tunnel mit der indienweit höchsten Überlagerungvon 1.100 m [3]. Die Ausbrucharbeiten wurden im Okto-ber 2011 abgeschlossen, zurzeit findet der Innenausbaustatt.

Das Anschlusslos südlich des Planungsloses von Ber-nard Ingenieure ZT GmbH wird vom schweizerische Un-ternehmen Lombardi betreut und beinhaltet den 10,1 kmlangen Tunnel T-48. Das nördliche Anschlusslos wird vonGeodata S.p.A. aus Italien betreut und beinhaltet den8,6 km langen Tunnel T-74R.

Die Hauptbauwerke des Planungsloses von BernardIngenieure ZT GmbH, der Strecke zwischen Sumber undArpinchala, werden in Tabelle 2 erläutert. Die Morpholo-gie des Projektgebiets ist durch tief eingeschnittene, steile,

Table 2. Structures along the alignmentTabelle 2. Geplante Streckenbauwerke

Structure Length [m]

Bridge/Brücke BR-2 441

Sumber Yard 1,200


Tunnel T-49 9,120

Tunnel T-51 3,625


Tunnel T-52 250

Arpinchala Yard 1,200



Table 2 shows key components of the alignment be-tween Sumber and Arpinchala. The railway steadily in-creases in elevation from 1,450 to 1,550 m a.s.l.

The morphology of the project area displays deeply in-cised, narrow, V-shaped valleys with steep flanks, due to thesignificant uplift rates of the Himalaya range in recent geo-logical times and the action of rivers. Accordingly, almost13 km of the railway track runs through tunnels. Generaldesign criteria applied to the alignment are given in Table 3.

2.1 Project optimisation

One of the consultant’s first activities was to optimise theexisting alignment in terms of portal locations, underpass-ing of valleys and access possibilities during construction.Teams of tunnel engineers, geologists and bridge designerscarried out two site reconnaissance missions in spring2012. Along with desk-study, this formed the basis of atechnical-economic comparison to determine the most ap-propriate alignment. Factors considered were:– Technical feasibility:

– Constructability and geology,– Time for excavation/construction,– Safety during construction,– Cost of construction,

– Operational aspects:– Operational safety of railway line,– Access for emergency services,– Escape safety.

The alignment optimisation mostly concentrated on miti-gating the effects of natural hazards. This was achieved byshifting tunnels further into hillsides, reducing the numberof portal areas (thus reducing the number of tunnels andaccesses) and shifting the locations of the portals.

2.2 Local topography and geology

The alignment is located south of the main ridge of the PirPanjal range. The Bishlari and Chenab Rivers, which formone of the main tributaries of the Indus River System,drain the area.

enge, fluvial geformte V-Täler gekennzeichnet, die sichdurch die hohen tektonischen Hebungsraten im Himalayaund der hohen Erosionstätigkeit der Flüsse gebildet ha-ben. Die Trasse im Planungslos steigt beginnend in Südenvon 1.450 auf 1.550 m ü.M. im Norden. Dabei ist zu be-achten, dass im Süden die Trasse etwa 1.000 m über demTalboden der Hauptflüsse im Projektraum, Chenab unddem Bishlari, verläuft. Dementsprechend herausforderndsind Bau und Betrieb der Baustellenzufahrtswege vomHaupttal in die Hochtäler, von denen die Vortriebsangrif-fe aus erfolgen. Die allgemeinen Planungsgrundlagen sindin Tabelle 3 angegeben.

2.1 Projektoptimierung

Zu den ersten Aufgaben gehörte die Prüfung und Opti-mierung der vorliegenden Streckenplanung in Bezug aufPortalanschläge, Talunterquerungen und Baustellenzu-gänge. Auf Basis von Felduntersuchungen mit einemmulti disziplinären Expertenteam, im Verbund mit einemintensiven Grundlagenstudium wurde die Basis für einetechnisch-ökonomische Beurteilung einer bestmöglichenStreckenführung ausgearbeitet. Die Beurteilungskriterienwaren:– Technische Machbarkeit:

– Realisierbarkeit im Bezug auf die geologischen Ver-hältnisse,

– Zeitaufwand für Ausbruch und Bau,– Arbeitssicherheit beim Bau,– Baukosten,

– Operationelle Aspekte:– Betriebssicherheit der Eisenbahn,– Zugang zu Notfalleinrichtungen,– Sicherheit im Selbstrettungsfalle.

Für die Frage der Optimierung der Streckenführung er-wies sich der Themenkreis Naturgefahren in zweierleiHinsicht als maßgeblich. Zum einen sind lange Baustel-lenzufahrtsstraßen aus dem Haupttal in die Hochtäler extrem anfällig gegenüber Steinschlag, Muren und Bö-schungsstabilitäten im Allgemeinen. Die Offenhaltung die-ser Wege ist zeit- und kostenintensiv, mit häufigen, mehr -

Table 3. Key design criteriaTabelle 3. Hauptplanungskriterien

Design Parameter ValuePlanungsgrundsätze Angabe

Design life 120 yearsBetriebsdauer 120 Jahre

Type of operation ElectricOperationsmodus Elektrifiziert

Number and type of tracks Single track, broad gauge (= 5′6′′, 1676 mm), ballastlessGleisanzahl und Spurbreite Eingleisig, Breitspur, feste Fahrbahn

Design speedAusbaugeschwindigkeit

100 km/h

Maximum gradientMaximale Neigung

1 in 80 (= 1.25 %)

Curve compensation 0.4 % per degree curvatureGradientenabminderung in Kurven 0,4 % pro Grad der Kurve



The topography is dominated by steep, long slopescumulating in mountain peaks at an elevation of 4,000 m.The interplay of uplift and erosion leads to intense inci-sion so that almost no glacial remnants are visible. Evenancient fluvial sediments are only occasionally visible.

The geology is dominated by the presence of two major thrust systems: The Main Boundary thrust (MBT)and Main Central Thrust (MCT). The MBT separates thesedimentary rock (sandstone) of the Himalayan forelandin the footwall from the crystalline rock (predominantlyslates and phyllites) of the High Himalaya in the hangingwall.

The alignment crosses a number of geological forma-tions. The southern to central section from the SumberValley to the ridge above tunnel T-51 lies in the SalkhalaFormation (Fig. 2), the oldest formation in the projectarea. The formation is represented by slates in the southand east, and phyllite with secondary minerals such asquartz and muscovite in the northwest [4]. The composi-tion is slightly different in the project area. Generallythere is a partially closely spaced but morphologically vis-ible interbedding of paragneisses (i.e., sedimentary) andphyllites in varying mineralizations. This begins with par-tially sericitic phyllites at the boundary to the Ramsu for-mation in the north, quarzitic and/or chloritic phyllites inthe Higni area and ends with gneissic phyllites in the Urni-hal area.

The Ramsu Formation, lying discordant on theSalkhala Formation, dominates the northern part of theproject area. Schistosity planes are folded but primarilyorientated in a northeastern direction. Rock is primarilyoriented in a northeastern direction. The formation ex-hibits three major rock types: phyllite, slate and limestone.

The majority of the alignment is suited to tunnellingby drill and blast, with only short sections in weak zonesrequiring excavation by roadheader and extensive supportmeasures.

2.3 Local tectonic features

Fig. 3 shows the regional tectonic units [5]. There arethree main local tectonic features. The most prominent isthe MCT (Fig. 4), crossing the Sumber Nala at bridge BR-3. Smaller faults are associated with this dominant fea-ture, indicated for example, by wedges of Ramban phyllitesnorth of the MCT line.

The second feature is the orthogneiss (i.e. igneous)block, located between the MCT and the Urnihal Nala,thus affecting tunnel T-49. The margins of this block canbe mechanically weakened during intrusion; however, notraces of this were found in the field.

The third feature is a series of faults in the northernsection of the Urnihal catchment area. These faults arevisible and spaced at 20 to 50 m intervals. The superficialfeatures of this fault series are partially heavily weatheredkakirite (fault gouge) rock sections and detritic or-thogneiss bands, probably reaching down to tunnel eleva-tion.

Within the Bahta, Badarkot and Higni side valleys,faults and disturbances crop out. Generally, fluvial chan-nels follow zones of structural weaknesses; since the gen-eral thrusting is from ENE to WSW with a sinistral mo-

tägigen Unterbrechungen der Baustellenversorgung ist zurechnen. Eine Reduktion der Zufahrtswege (Länge, An-zahl der Angriffe) erwies sich daher als zielführend. Zumanderen weisen alle Täler ein hohes Hochwasser-, Mur-gang- und Steinschlagpotenzial auf, das auf Trassenfüh-rung und Brückenplanung großen Einfluss hat.

2.2 Lokale Topographie und Geologie

Die Strecke befindet sich in den Siwalik Bergen südlichdes Hauptrückens des Pir Panjal Gebirgszugs. Die FlüsseBishlari und Chenab, die Teil des Indus Systems sind, ent-wässern diese Region.

Die Topographie wird von langen und steilen Hängendominiert, die in Gipfeln von bis zu 4.000 m Höhe mün-den. Das Wechselspiel zwischen tektonischer Hebung undErosion führte zu intensiver fluvialer Einschneidung derV-Täler, sodass annähernd keine glazialen Formen mehrim Gelände zu erkennen sind. Auch alte fluviale Sedimen-te wie Terrassen sind nur ganz in Norden des Projekt -raums anzutreffen.

Das Strukturinventar des Gebirges im Projektraumwird von zwei Hauptüberschiebungssystemen dominiert:Die Main Boundary Thrust (MBT) und die Main CentralThrust (MCT). Die MBT trennt die nicht-metamorphenSedimentgesteine des Tieflands von den metamorphenSchiefer und Phyllitgesteinen des Himalayas.

Fig. 2. Outcrop of phyllite paragneiss complex of SalkhalaFormation in the Higni ValleyBild 2. Aufschluss des Phyllit- Paragneis Komplexes derSalkhala Formation im Hignital



ment, it is also likely that lateral forces separate rock bod-ies normal to the general convergence movement.

2.4 Tunnelling methodology

All tunnels along the alignment are to be constructed byNATM. Despite the length of the tunnels, the choice ofconventional over mechanised tunnelling is consideredadvantageous since:– Start-up costs of NATM are lower than for a TBM.– Transporting a TBM to site would be difficult (e.g., ship-

ment to Mumbai and then transport over narrow moun-tain roads).

– Indian contractors are more experienced in convention-al tunnelling.

– NATM requires a significantly greater number of sitepersonnel, which is not a problem in India.

Der Zentralbereich der Strecke befindet sich in der so genannten Salkhala Formation, der tiefsten Einheit imProjektgebiet (Bild 2). Im Wesentlichen finden sich ent-lang des gegenständlichen Streckenabschnitts Wechsel -folgen von Phylliten und Paragneisen, wobei der Phyllitverschiedene Sekundärmineralien anzeigt [4]. Diese sindunter Anderem serizitische Phyllite im Nordosten, quarzitische und chloritische Phyllite bei Ramsu undgneissische, sehr kompakte Phyllite im Bereich um Urni-hal.

Die Ramsu Formation, die diskordant auf der Salkha-la Formation aufgeschoben ist, dominiert den Norden desProjektgebiets. Die Schieferung ist gefaltet, fällt jedochmeist in Richtung Nordosten ein. In der angesprochenenDecke finden sich metamorphe Sedimente, im Wesent -lichen Phyllite, Schiefer und untergeordnet auch Mar-mor.

Der Großteil der Streckenführung kann in Spreng-vortrieb ausgebrochen werden. Es werden nur wenigeSchwächezonen vermutet.

2.3 Lokale Tektonik

Im Projektgebiet befinden sich drei dominierende tektoni-sche Überschiebungsbahnen (vgl. Bild 3) [5]. Die stärksteist die MCT (vgl. Bild 4), die mit der Brücke BR-3 über-kreuzt wird. Einhergehend mit dieser Großstörung gibt esnoch einige seitliche Abscherungen, die sich durch dasAuftreten von Phylliten der Rambandecke nördlich derMCT andeuten.

Der Rücken zwischen den Tälern Sumber und Urni-hal wird von einem Orthogneisblock gebildet. Weitgehendparallel zur MCT verläuft eine Serie von mehreren Meternmächtigen Störungen im Norden des Urnihal-Tals. DieseStörungen sind an der Oberfläche aufgeschlossen und tre-ten alle 20 bis 50 m auf. Die kakiritische Störungskette istin der Regel stark verwittert. In den Seitentälern Bahta,Badarkot und Higni treten Störungen und Aufschiebun-gen auf. In der Regel verlaufen entlang solcher Schwäche-zonen auch Bäche. Da die generelle Überschiebungsrich-tung mit einem sinistralen Moment von ENE nach WSWreicht, ist es möglich, dass diese Störungen durch laterale

Fig. 3. Main tectonic units of the NW Indian Himalaya [5]Bild 3. Haupttektonische Einheiten des Nordwest Himalayas [5]

Fig. 4. View of slope which is crossed by the MCT (red line).The footwall consists of phyllite and slate (grey) and thehanging wall consists of a massive (gneissic) phyllite (green). On top is a gneiss cap (violet)Bild 4. Ausbisslinie der MCT (rote Linie). Im Liegenden be-finden sich Phyllite und Tonsteine (grau), das Hangende istein massiver Gneissphyllit (grün). Die Gipfelregion wird voneinem Orthogneiss (violett) gebildet



On the other hand, a TBM would offer increased rates ofadvance thus avoiding the use of explosives.

The consultant followed the design process recom-mended in the “Guideline for the geotechnical design ofunderground structures with conventional excavation” ofthe Austrian Society for Geomechanics [6]. For the tender-ing of underground works, a number of “Support Classes”were defined for each tunnel, simplified but in the style ofthe Austrian standard ÖN 2203-1. In order to determinethe appropriate Support Class, the following factors weredefined: – The round length, with which the excavation can be per-

formed safely and with acceptable accuracy of profileshape,

– The quantity of tunnel support required for reaching anew state of equilibrium, characterised by the decreaseor cessation of deformation,

– The excavation and support sequence.

As part of their method statements, contractors are re-quired to produce detailed work cycles for each SupportClass, specifying equipment to be used for excavation,loading, mucking and support, broken down into singleactivities with their duration in minutes. This informationwill assist the client in determining contractor perfor-mance during construction.

Kräfte, senkrecht zu dem dominanten Überschiebungsmo-ment, entstanden sind.

2.4 Vortriebsmethoden

Sämtliche Tunnel an der Strecke sollen nach den Grund-sätzen der NÖT aufgefahren werden. Trotz der Länge derTunnel wird der konventionelle Vortrieb als vorteilhaft be-schrieben, unter anderem aufgrund folgender Punkte:– Anschaffungskosten sind für NÖT Vortriebe geringer als

für TBM-Vortriebe.– Ein TBM Transport auf die Baustelle wäre eine logisti-

sche Herausforderung (Verschiffung nach Mumbai, Wei-tertransport über z. T. enge Bergstraßen).

– Indische Bauunternehmen haben mehr Erfahrung imkonventionellen Vortrieb.

– Die NÖT verlangt mehr Personal, was in Indien jedochakzeptiert ist.

Andererseits würde ein schnellerer Baufortschritt und derVerzicht auf Sprengmittel für TBM Vortrieb sprechen.

Bei der Planung wurde die ÖGG-Richtlinie für diegeotechnische Planung von Untertagebauten mit zykli-schem Vortrieb [6] angewandt. Für die Ausschreibung der Untertagearbeiten wurden in Anlehnung an dieON 2203-1 für jedes Bauwerk Stützmittelklassen entwor-

BESTE LÖSUNGEN BEGEISTERN

BERNARD Ingenieure

liefert alle Beratungs-, Planungs- und Ingenieurleistungen auf den Gebieten Industrie, Energie, Infrastruktur und Verkehr.

BERNARD Ingenieure steht für interdisziplinäre Ingenieurleistungen, bietet umfassende technische und wirtschaftliche Beratung, verwirklicht komplette Planungen, steuert Projektentwicklungen und kontrolliert Projektabläufe in der Ausführung.

www.bernard-ing.com

1: Unterinntalbahn - Baulos H3-4; Federführer ÖBA und Vertragsmanagement2: Unterinntalbahn - Baulos H5; Federführer ÖBA und Vertragsmanagement 3: Krafthauskaverne Daga Chhu, Bhutan; Gesamtanlagenplanung und Bauberatung vor Ort

ein Unternehmen der BERNARDGRUPPE

1

2 3



2.5 Specification of tunnel safety systems

The design of safety systems for the tunnels is based onUIC 779/9 “Safety in Railway Tunnels” [7], with some pro-ject-specific considerations. Emergency services are notnearby, i.e. individuals will escape before emergency ser-vices can reach an incident site in the tunnel; therefore,the primary method of reaching safety is the implementa-tion of escape and safety systems. For tunnels longer than3 km, escape is possible through cross-passages into a par-allel safety tunnel. Tunnels between 1 and 3 km are pro-vided with an auxiliary adit.

Due to the remote location of the project and the diffi-culties in maintaining the line, a key aim is to provide tun-nel systems that are low technology and cost effective. Com-plex electro-mechanical installations should be avoided.

2.6 Rockfall protection bridge

A section of the alignment in the deeply incised KodaNala gorge (Fig. 5) is particularly exposed to rockfall. Thefrequency of rockfall will be quite high due to the disinte-gration of the stratified rock above the tunnel portals.Since it is not possible to avoid a traverse of the gorge, theconsultant has proposed a bridge with a rockfall protec-tion roof.

3 Local challenges

Although projects in India can be rewarding from a tech-nical standpoint and due to their sheer scale, a number ofchallenges face designers working in this region in com-parison to Europe. These include:– Difficult access: When crossing valleys, it is often neces-

sary to descend over 1.000 m and travel many kilome-

fen, deren Anwendung durch kostenbeeinflussende Unter-scheidungsmerkmale definiert wurden: – Die Abschlagslänge zur Erreichung hoher Sicherheit für

Arbeiter und Bauwerk sowie akzeptabler Profilgenauig-keit,

– Die Stützmittelmenge zur Erreichung eines sekundärenGleichgewichtszustands gekennzeichnet durch die Ab-nahme bzw. dem Aufhören der Gebirgsverschiebungen,

– Die Abfolge der Arbeiten bei Ausbruch und Stützung desHohlraums.

Als Teil des anzugebenden Ausbruchverfahrens sind dieBaufirmen dazu verpflichtet, detaillierte Arbeitspläne vor-zulegen, in denen die für Ausbruch, Schuttern und Stützennotwendigen Geräte und Zeiteinheiten erläutert werden.An diesen Plänen wird während der Bauphase die Leis-tungsfähigkeit des Vertragspartners evaluiert.

2.5 Spezifikation der Sicherheitssysteme im Tunnel

Die Planungen für die Sicherheitssysteme basieren aufUIC 779/9 „Sicherheit in Eisenbahntunneln“ [7] mit eini-gen projektspezifischen Anpassungen. Rettungsdienstesind nicht schnell vor Ort, daher wird ein größeres Ge-wicht auf die Selbstrettung gelegt, was dazu führt, dass dieSicherheitsinfrastruktur darauf ausgerichtet werden muss.Für Tunnel mit über 3 km Länge werden separate, überQuerschläge erreichbare, parallele Rettungsstollen gebaut.Tunnel zwischen 1 und 3 km werden mit einem zusätz -lichen Zugangsstollen ausgestattet.

Aufgrund der Abgelegenheit der Region und der zu erwartenden langen Wartungsintervalle der Infrastrukturwerden Sicherheitssysteme vor allem in Hinblick auf Robustheit und Kosteneffizienz entwickelt. Wartungsinten-sive elektromechanische Einbauten sollen vermieden wer-den.

2.6 Steinschlagschutzbrücke

Zwischen den Tunneln T-51 und T-52 liegt das Koda-Tal, das mit einer Brücke überspannt wird. Das extrem enge Tal mit steilen Flanken ist stark steinschlaggefähr-det (Bild 5). Auf Basis der Planungsgrundsätze des dauer-haften Schutzes vor Naturgefahren und den anzustreben-den langen Wartungsintervallen wurde auf klassische Lösungen wie Steinschlagschutznetze verzichtet und statt-dessen eine vergleichsweise massive Betonhohlkasten -brücke mit Steinschlagschutzdach vorgesehen.

3 Lokale Herausforderungen

Zu den schon genannten Projektrandbedingungen stellenfolgende „lokale“ Herausforderungen ein Projektspezifi-kum dar:– Schwieriger Zugang: Die im Himalaya tief eingeschnitte-

nen Täler sind häufig nur weiträumig passierbar, da esnur wenige Brücken gibt. Dies verursacht in Verbindungmit der allgemeinen Abgelegenheit der Region hoheZeitverluste beim Erreichen der anvisierten Lokali-täten.

– Lokale Baumethoden, insbesondere bei der Einrichtungder Baustellenzufahren: Die Voraussetzungen für den

Fig. 5. Rockfall-prone Koda Nala gorge with alignmentBild 5. Steinschlaggefährdete Trasse innerhalb der KodaNala Schlucht



tres to infrequent bridges. This, coupled with the re-moteness of the area, means that reaching sites of inter-est can take many hours. Inaccessibility increases thedifficulty of carrying out terrestrial survey and geotech-nical investigations.

– Local construction practices, in particular the conditionof access roads: It is clear that conditions for creatingnew access roads are not easy. Mountainsides are excep-tionally steep. However, rock strata orientation is rarelyconsidered, with the result that progressive slope failure(often extending for tens of metres above the road) iscommon and roads are blocked, as shown in Fig. 6.Moreover, excavated material is typically dumped overthe hillside to fall hundreds of metres into valley bot-toms, destroying all land and property below (Fig. 7).Regulations preventing this are not enforced andlandowners receive little compensation. Re-use of exca-vated material is not considered. Access roads are gen-erally unpaved and use by heavy plant without regularmaintenance causes a very uneven road surface.

– Political pressure: This typically results in unpredictableand often unreasonable requests from clients for submis-sions.

– Re-use of accepted or known solutions: New ideas, al-though welcome, are often received with scepticism andcan be difficult to implement. The preference is to con-form to current practices.

– Input from many parties often results in conflicting in-structions to consultants and decisions may be re-visitedmany times.

4 Ensuring quality

In order to bring about change to local practices and grad-ually improve the quality of construction, the consultantmade non-standard amendments to traditional Indian ten-der documents. Due to the difficulty in motivating con-tractors to improve quality, payment deduction clauseshave been introduced to influence contractors to do this.

Straßenbau sind aufgrund der Topographie sehr schwie-rig. Felsmechanik und Geometrie werden von lokalenAuftragnehmern häufig ignoriert was folgend zu stetigenBöschungsstabilitätsproblemen sowohl im Boden alsauch im Fels führt (Bild 6). Zusätzlich wird durch unge-sicherte Hangeinschnitte die Vegetation zerstört undweiträumige Erosionsherde erzeugt, die sowohl die Zu-fahrten selbst als auch Recht und Gut Dritter bedrohen(Bild 7). Vorhandene indische Richtlinien und Normenwerden nicht umgesetzt und Kompensationsleistungenwerden nur in geringer Höhe erbracht. Die vorhandenenZufahrtsstraßen sind meist nicht asphaltiert und werdenbei intensiver Nutzung durch Baufahrzeuge stetig Scha-den nehmen.

– Politische Einflussnahme: Dieser Faktor führt häufig zuunvorhersehbaren Planungsänderungen und überra-schenden Forderungen an den Planer.

– Gehemmte Innovationsbereitschaft: Obwohl neue undalternative Lösungen grundsätzlich begrüßt werden, be-steht dem eine grundlegende Skepsis gegenüber. Es wirdzumeist eine (in Indien) bewährte Vorgehensweise be-vorzugt.

– Der Einfluss verschiedener Parteien kann zu Unstimmig-keiten zwischen den Vertragspartnern führen, und be-reits getroffene Entscheidungen werden öfters in Fragegestellt.

4 Qualitätssicherung

Um auf die momentan vorhandenen lokalen Gepflogen-heiten Einfluss zu nehmen und die Bauausführung zu verbessern, wurden einige, unkonventionelle Änderungenbei der Erstellung der Ausschreibungsunterlagen durch -gesetzt. Da es allgemein schwierig ist, die bauausfüh-renden Unternehmen zu hochwertiger Arbeit zu be-wegen, wurden einige Klauseln implementiert, bei deren Nichteinhaltung Vergütungskürzungen fällig wer-den.

Fig. 6. Rock slope stability problems with access road construction near UrnihalBild 6. Böschungsstabilitätsprobleme beim Bau der Zufahrtsstraßen in Richtung Urnihal

Fig. 7. Impact of access road construction between Digdoland UrnihalBild 7. Landschaftszerstörung durch schlecht ausgeführtenStraßenbau zwischen Digdol und Urnihal



4.1 Equipment

Local contractors’ equipment and machinery is oftenpoorly maintained. Moreover, due to the remote locationof the project, replacement equipment can take manyweeks to arrive on site.

The technical evaluation of contractors’ proposalscontains a list of mandatory plant and machinery for tun-nel construction. This list defines equipment required atthree work sites for each heading (Fig. 8), each of whichmust operate independently in terms of equipment andmanpower. In order to prevent confusion, typical picturesof each item of equipment and machinery are provided inthe evaluation key. Contractors who commit to supplyingnew equipment are awarded a higher technical mark andtherefore have a greater chance of winning the project.However, the list provided by contractors in their propos-als becomes binding upon signing of the Contract. If theequipment deployed by the contractor does not complywith the list, pro-rata payment deductions are applied forperiods when the proposed equipment is not available.

As part of their proposals, contractors are also re-quired to submit a “Standby Machinery Plan”, “Spare PartManagement System”, “Maintenance Programme” andcertificates of specific training of electrical and mechani-cal maintenance personnel.

4.1 Baugeräte

Generell sind die Baugeräte der ausführenden Firmen inschlechtem Zustand. Insbesondere aufgrund der abge-schiedenen Lage können bis zur Beschaffung notwendigerErsatzteile Wochen vergehen.

Die technische Beurteilung der Angebote enthält eine verbindliche Liste mit Angaben zu verwendeten Maschinen und Einrichtungen für den Tunnelbau. DieseAuflistung beschreibt das notwendige Equipment für je-den Angriff an drei verschiedenen Vortrieben, die in Be-zug auf Maschinen- und Personalverfügbarkeit unabhän-gig voneinander operieren müssen. Zur Visualisierungsind entsprechende Abbildungen beigelegt (Bild 8). Ver-tragspartner, die sich zur Anschaffung neuer Maschinenverpflichten, werden mit höheren Einstufungen versehen,welche die Wahrscheinlichkeit eines Losgewinns er -höhen. Nichtsdestotrotz ist die vorgelegte Liste bei Ver-tragsabschluss bindend. Sollte das mobilisierte Equip-ment nicht dem der Angebotsliste entsprechen, so sindZahlungsreduktionen zu erwarten, und zwar solange bisdie im Angebot angegebenen Maschinen auch vor Ortsind.

Als Beilagen zu den jeweiligen Angeboten sind dieAnbieter dazu verpflichtet einen Baugerätebereitschafts-plan, ein Ersatzteilmanagementsystem ein Wartungspro-

Fig. 8. Schematic diagram of work locations of each team for each headingBild 8. Schematische Darstellung eines Arbeitsablaufs für verschiedene Teams und Vortriebe



4.2 Personnel

A key issue in India is the retention of personnel, particu-larly in remote regions. More often than not, workers inIndia are not employed by the contractors themselves(since according to labour laws, employees may not befired), but rather rented from middlemen.

The works contracts prepared by the consultant re-quire the contractor to counteract the fluctuation of work-ers by the implementation of staff training and incentiveschemes described in their Method Statement. Further-more, only skilled or specially trained labour may be de-ployed at work faces. A payment deduction is imposed ifthe turnover of key personnel in any given month exceeds5 %.

4.3 Excavation and support sequence

The excavation and support sequence is at the heart ofsafe and successful NATM tunnelling. The importance ofthis is highlighted in the specifications and Method State-ment requested from contractors. The tender documentsalso specify the mandatory subdivision of the main tunnelinto top heading and bench in any Support Class.

Bidders are required to produce detailed work cyclesfor each Support Class, which serve as a reference to determine contractor performance during construction. A payment deduction is imposed if the excavation andsupport sequences defined in the Technical Specifications(or as otherwise directed by the Engineer) are not followed.

4.4 Additional deductions

Predefined deductions built into contracts are imposedfor:– Improper handling of muck,– Lack of dewatering systems during tunnel heading,– Insufficient maintenance of roadways.

Since one aim of these deductions is to prevent repeatedor continued behaviour, the deduction amount is higherthan the value of the relevant service. To ensure fairness,the contractor is given the opportunity to rectify the situa-tion for some of the items. The deduction in payment onlybecomes permanent if the situation is not rectified withina specified timeframe (typically 1 to 2 weeks).

5 Outlook

Design work on the 15 km section described in this paperis currently ongoing. The client, IRCON, intends to issuethe tenders for construction work before the end of 2012.The adoption of the new conditions of contract is expect-ed.

References

[1] The Registrar General & Census Commissioner: 2001 Cen-sus of India. Ministry of Home Affairs, Government of India.New Dehli, 2001.

[2] Government of India: 2011 Census of India. http://www.census2011.co.in

gramm und Zertifikate über spezifisch geschultes War-tungspersonal einzureichen.

4.2 Personal

Ein wichtiges Thema in Indien ist die Bereitstellung vonqualifiziertem Personal, insbesondere in den abgelegenenRegionen. Häufig werden in Indien Arbeitskräfte nicht direkt von den Auftragnehmern rekrutiert (Hintergrundist ein rigides indische Arbeitsrecht, das Entlassungennicht vorsieht), sondern werden über Mittelsmänner „ge-mietet“.

Die ausgearbeiteten Verträge verpflichten den Auftrag-nehmer dazu, derartige Fluktuationen zu unterbinden, in-dem spezifische Weiterbildungsmaßnahmen und Bonus-/Malussysteme angefordert werden. Zudem soll ohnehinnur geschultes oder spezifisch ausgebildetes Personal anden Vortrieben arbeiten. Es drohen Vergütungskürzungen,wenn die Personalfluktuation an Schlüsselstellen über 5 %monatlich ansteigt.

4.3 Ausbruch und Stützmitteleinbau

Der Bauablauf ist die Hauptkomponente, um sichere undwirtschaftliche NÖT-Vortriebe zu gewährleisten; daherwerden vom Auftragnehmer detaillierte Spezifikationengefordert. Zudem wird die Aufteilung in Kalotten- undStrossenvortrieb, unabhängig von der Stützmittelklasse,verbindlich vorgeschrieben.

Die Anbieter sind verpflichtet detaillierte Bauabläufefür jede Stützmittelklasse vorzulegen, die dann als Refe-renz für die Leistungsbewertung herangezogen werden.Zahlungsabzug ist ein Druckmittel, das Anwendung fin-det, wenn die tatsächlichen Arbeitsabläufe nicht denender Stützmittelklassen entsprechen.

4.4 Zusätzliche Zahlungsabzüge

Vordefinierte Zahlungsabzüge werden für folgendes ver-traglich festgelegt:– Fehlerhafte Deponierung von Ausbruchmaterial,– Ungenügende Wasserhaltung im Vortrieb,– Ungenügende Wartung der Zufahrtsstrecken.

Ein Ziel dieser Zahlungsabzüge ist die Vermeidung wie-derholter oder fortlaufender Vertragsverstöße, daher istder Zahlungsabzug höher als die Zahlungssumme für dieo. g. Dienstleistungen. Um dem Vertragsnehmer Korrektu-ren zu ermöglichen, sind Zahlungsabzüge nur dann durch-zusetzen, wenn die entsprechende Dienstleistung nicht in-nerhalb von ein bis zwei Wochen nach einer Ermahnunggeleistet wurde.

5 Ausblick

Die Planungsarbeiten für das beschriebene Projekt sindnoch im Gang. Der Auftraggeber, IRCON, beabsichtigt dieerste Ausschreibung noch vor Ende 2012 zu veröffent -lichen. Die Verwendung der neuen Vertragsbedingungenist vorgesehen.



[3] Northern Railway Construction Organization (USBRL Pro-ject): J&K Project Brief. http://usbrl.org/brief.php

[4] Raina, B. K., Gupta, B. K., Sharma, B. L., Wangu, A., Dhi-man, L. C.: A Review of the Stratigraphy and Structure of aPart of Kashmir Basin in Banihal-Ramban-Desa-ChhatruBelt, Doda District, Jammu and Kashmir, India. Journal of thePalaeontological Society of India 35 (1990), pp. 77–89.

[5] Steck, A.: Geology of the NW Indian Himalaya. EclogaeGeologicae Helvetiae 96 (2003), pp. 147–196.

[6] Austrian Society for Geomechanics: Guideline for the Geo-technical Design of Underground Structures with Conventio-nal Excavation. Salzburg, 2010.

[7] International Union of Railways: 779/9: Safety in RailwayTunnels. Paris: UIC, 2003.

Dipl.-Ing. Wolfgang [email protected]

Bernard Ingenieure ZT GmbHBahnhofstraße 196060 Hall, Austria

Dr. Bernd [email protected]

Dr. Thomas [email protected]

Martin Kraft-Fish MEng (Hons)[email protected]


The Šentvid tunnel had first been designed as twin tube double-lane tunnel. Later on, the design included the third traffic lanesand connecting ramp tunnels. The underground junctions re-quired the construction of large caverns. A small diameter explo-ration gallery was excavated in order to find the optimum loca-tions for both caverns in foliated Perm-Carboniferous soft rockconditions and to provide geotechnical model and material para-meters for the design. The exploration gallery furthermore en-abled displacement measurements ahead of the excavation faceof the main tunnel during its construction. This paper presentssome details of the exploration gallery and the results obtainedfrom it, showing the results of displacement measurementsahead of the tunnel face and comparisons of the observed dis-placements ahead of the tunnel face with geological conditions. The tunnel construction won international attention due to itscomplexity and as an example of best practice in the construc-tion of very large excavations in diverse geotechnical conditions.During the decision making process, an international panel ofrecognized experts from consulting companies and universitieswas involved. Later on, the panel regularly monitored theprogress of tunnelling works and contributed to the decisionsduring critical steps of the project. The decision to involve inter-national experts with different experiences and approaches per-mitted the client to keep the construction risks within acceptablelimits.

1 Introduction

The Šentvid tunnel is situated in a highway section thatnowadays forms a high speed bypass of the Slovenian cap-ital Ljubljana on the way from the Karavanke tunnel at theAustrian border to Obrežje at the Croatian border. It wasone of the last missing links on the Xth corridor betweenSalzburg and Thessaloniki and it proved to be one of themost difficult ones.

The tunnel itself consists of three separate structuresintegrated into one functional unit. The first two are anexisting gallery and a recently completed cut and coversection on the northern side, while the third structure isthe mined tunnel section.

Der Sentvid-Tunnel war zunächst mit zwei Röhren mit jeweilszwei Fahrstreifen geplant worden. Später wurde der Entwurf umeinen dritten Fahrstreifen und Verbindungstunnel erweitert. Dieunterirdischen Verzweigungen erforderten die Errichtung vongroßen Kavernen. Ein Erkundungsstollen mit kleinerem Durch-messer wurde ausgebrochen, um die optimalen Standorte für diebeiden Kavernen im weichen, geschieferten Fels aus dem Permbis Karbon zu finden und um geotechnische Modell- und Materi-alparameter für den Entwurf zu erhalten. Der Erkundungsstollenhat weiterhin ermöglicht, Setzungsmessungen im Bereich vor derOrtsbrust des Haupttunnels während dessen Errichtung durchzu-führen. In diesem Artikel werden einige Details des Erkundungs-stollens und der mit seiner Hilfe gewonnenen Ergebnisse darge-stellt. So werden die Ergebnisse der Messungen der der Orts-brust vorauslaufenden Setzungen gezeigt und ein Vergleich derbeobachteten Setzungen mit den geologischen Verhältnissen an-gestellt.Der Tunnelvortrieb hat international Aufmerksamkeit auf sich ge-zogen aufgrund seiner Komplexität und als vorbildliches Praxis-beispiel für die Errichtung von sehr großen Hohlräumen in denunterschiedlichsten geologischen Verhältnissen. In den Entschei-dungsprozess war ein internationaler Ausschuss von anerkann-ten Experten aus Beratungsfirmen und Universitäten eingebun-den. Im weiteren Verlauf hat dieser Ausschuss regelmäßig denFortschritt der Arbeiten an dem Tunnel verfolgt und in kritischenPhasen des Projektes bei wichtigen Entscheidungen unterstützt.Die Entscheidung, internationale Experten mit verschiedenstenErfahrungen und Herangehensweisen einzubinden erlaubte demKunden, das Risiko der Baumaßnahme in einem akzeptablen Rah-men zu halten.

1 Einleitung

Der Sentvid-Tunnel liegt in einem Fernstraßenabschnitt,der heute einen Autobahnring um die slowenische Haupt-stadt Ljubljana bildet, auf dem Weg vom Karawankentun-nel an der österreichischen Grenze nach Obrezje an derkroatischen Grenze. Es war eine der letzten fehlendenVerbindungen auf dem paneuropäischen Verkehrskorri-dor zwischen Salzburg und Thessaloniki und sollte sichals eine der schwierigsten herausstellen.

Topics

Influence of the geological structure on thedisplacements measured ahead of the Šentvid tunnelface in small diameter exploratory tunnel

Einfluss der Geologie auf die in einemErkundungsstollen vor der Ortsbrust des Sentvid-Tunnels gemessenen Verschiebungen

DOI: 10.1002/geot.201300004Jure KlopcicTina ŽivecMarko ŽibertTomaž AmbrožicJanko Logar


J. Klopcic/T. Živec/M. Žibert/T. Ambrožic/J. Logar · Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

The initial design of the mined tunnel foresaw a twintube double-lane tunnel excavation. Based on the expect-ed increase of traffic in the near future, the idea arose toconnect the highway directly to the road infrastructurerunning above the tunnel. Therefore, a solution with twoextra-large bifurcation caverns with a maximum cross sec-tion of approx. 360 m2 at the intersection of the maintubes and the ramp tunnels was adopted (Figure 1).

The decisions about the feasibility, layout and sup-port design of the caverns demanded a geological and geotechnical model that could predict the rock mass be-haviour to an unusually high accuracy. To achieve this tar-get, an exploration gallery, which ran along the alignmentof both main tubes, was carried out during the early stagesof the design process.

Furthermore, numerous investigation works were per-formed during and after the excavation works and rigor-ous deformation monitoring was established. All the datagained during the excavation of the gallery and also lateron during the construction of the main tubes were consid-ered for the development of the new geotechnical model.The interpretation of measured displacements in relationto the detailed geological model enabled the understand-ing and the prediction of particular deformation patternsthat could be critical during cavern construction.

Based on these results, a feasibility study and riskanalysis considering financial and time-related effects wasmade, which led to the decision to construct a 3-lane tun-nel with connecting ramp tunnels and connecting cavernsas presented in Figure 1.

During the tunnel construction, the existing explo-ration gallery was used to perform geodetic measurements

Der Tunnel selbst besteht aus drei separaten Struktu-ren, die zusammen eine funktionale Einheit bilden. Diebeiden ersten sind ein bestehender Stollen und ein kürz-lich fertig gestellter Abschnitt in offener Bauweise auf dernördlichen Seite, die dritte Struktur ist der bergmännischhergestellte Tunnelabschnitt.

Der erste Entwurf für den bergmännischen Tunnelsah die Erstellung von zwei Röhren mit jeweils zwei Fahr-streifen vor. Aufgrund des in der näheren Zukunft zu er-wartenden Anstiegs der Verkehrsbelastung wurde die Ideegeboren, die Fernstraße direkt mit der oberhalb des Tun-nels verlaufenden Straßeninfrastruktur zu verbinden. AlsLösung hierfür kam die Erstellung von zwei extragroßenVerzweigungskavernen mit einem maximalen Querschnittvon etwa 360 m2 am Schnittpunkt der Hauptröhren mitden Rampentunneln zur Anwendung (Bild 1).

Die Entscheidung über die Machbarkeit, das Layoutund den Entwurf des Ausbaus erforderte ein geologischesund geotechnisches Modell, mit dem das Verhalten desGebirges mit einer unüblichen hohen Genauigkeit vorher-gesagt werden konnte. Um dieses Ziel zu erreichen wurdebereits in einer frühen Phase des Entwurfsprozesses einErkundungsstollen entlang der Achse der beiden Haupt-röhren erstellt.

Weiterhin wurden während und nach den Ausbruch-arbeiten zahlreiche Untersuchungen durchgeführt und einMonitoringnetz zur präzisen Messung der Verformungenaufgebaut. Alle während des Ausbruchs des Stollens undspäter während der Erstellung der Hauptröhren gewonne-nen Daten wurden bei der Entwicklung des neuen geo-technischen Modells berücksichtigt. Die Auswertung dergemessenen Verschiebungen in Verbindung mit dem de-

Fig. 1. Layout of the Šentvid tunnelBild 1. Layout des Sentvid-Tunnels



of displacements ahead of the tunnel excavation face. Thispaper focuses on the activities limited to post processingof monitoring data in correlation to a detailed geotechni-cal model.

2 The Šentvid tunnel

The Šentvid twin tube mined tunnel is approximately1,080 m long. Maximum overburden is about 100 m andthe overburden above the location of the caverns is 60 mand 78 m for the left and the right tubes, respectively [1][2]. The tunnel is divided into three distinctive parts. Thelengths and cross sections of each part are shown inTable 1, their locations can be seen in Figure 1.

The excavation was done by tunnel excavator accordingto the principles of NATM. Except for the caverns, all tun-

taillierten geologischen Modell ermöglichte das Verständ-nis und die Vorhersage von speziellen Verformungsmus-tern, die während der Erstellung der Kavernen kritischwerden könnten.

Auf Grundlage dieser Ergebnisse wurden eine Mach-barkeitsstudie und eine Risikoanalyse unter Berücksichti-gung der ökonomischen und zeitlichen Auswirkungen erstellt und die Entscheidung getroffen, einen dreispuri-gen Tunnel mit verbindenden Rampentunneln und Ver-bindungskavernen zu erstellen, wie in Bild 1 dargestellt ist.

Während der Herstellung des Tunnels wurde der Er-kundungsstollen dazu verwendet, geodätische Messungender Verschiebungen im Bereich vor der Ortsbrust durch-zuführen. Dieser Artikel beschränkt sich auf die Dar -stellung der Arbeiten der Nachbearbeitung der Monito-

Fig. 2. Scheme of cavern excavation sequence: Longitudinal section A-A (left) and plan view (right) [3]Bild 2. Skizze der Abfolge des Kavernenausbruchs: Längsschnitt A-A (links) und Grundriss (rechts) [3]

Table 1. Length and cross-sectional area of individual tunnel sectionsTabelle 1. Länge und Querschnittsfläche der einzelnen Tunnelabschnitte

Section Right Tube Left Tube Cross SectionAbschnitt Rechte Röhre Linke Röhre Querschnittsfläche

2-lane tunnel2-spuriger Tunnel

240 m 370 m 75 – 100+ m²

3-lane tunnel3-spuriger Tunnel

750 m 590 m 110–160+ m²

CavernKaverne

84 m 84 m 180–360 m²

Ramp tunnelsRampentunnel

255 m 360 m 70–95 m²

+ The lower number is theoretical cross-sectional area, the higher one includes maximal deforma -tion tolerance

+ Die kleinere Zahl ist die theoretische Querschnittsfläche, die höhere beinhaltet die maximaleVerformungstoleranz



nelling works were divided in top heading, bench and invert.For the excavation of the caverns with spans of up to 26 mand a height of 16 m a special excavation sequence of morethan 100 steps was developed (Figure 2) using sophisticated3D numerical calculations and detailed 3D geotechnicalmodel [3]. The application of principles of the classical ob-servational method so distinctive for NATM was limited dueto the size of the caverns and reaction time in case of un-favourable behaviour of the support. Despite soft squeezingrock mass conditions it was proved that extra-large excava-tions are possible in soil like rock mass conditions, providedthat large enough deformations are allowed to limit thestresses on the primary lining and provided that the rockmass is extensively reinforced by rock bolts. This type of de-sign is only possible if predictions of deformation behaviourrelated to geological structure encountered are developed inadvance and critical failure mechanisms are defined. Con-structing the exploration gallery, investing in detailed explo-ration of the surrounding rock mass, connecting this withmonitoring of deformations and using sophisticated model-ling to define failure mechanisms and deformation patternswere the tools for mitigating risks within this project.

3 Geological structure

The Šentvid tunnel alignment passes through densely foli-ated clastic sedimentary rocks of carboniferous age, main-ly sandstones, siltstones and clayey slates. The region has

ringdaten und deren Korrelation mit dem detailliertengeotechnischen Modell.

2 Der Sentvid-Tunnel

Der Sentvid-Tunnel ist ein zweiröhriger, bergmännisch er-stellter Tunnel mit einer Länge von etwa 1.080 m. Die maximale Überdeckung beträgt etwa 100 m, die Über -deckung über den Kavernen 60 m bei der linken, bzw.78 m bei der rechten Röhre [1] [2]. Der Tunnel ist in dreiunterschiedliche Abschnitte eingeteilt. Die Längen undQuerschnitte der jeweiligen Abschnitte ist in Tabelle 1 dar-gestellt, deren Lage wird in Bild 1 ersichtlich.

Der Ausbruch erfolgte mit Tunnelbaggern nach demPrinzip der NÖT. Bis auf die Kavernen erfolgten alle Aus-brucharbeiten durch sukzessiven Ausbruch von Kalotte,Strosse und Sohle. Für den Ausbruch der Kavernen mitSpannweiten bis zu 26 m und Höhen bis 16 m wurde einespezielle Ausbruchabfolge mit mehr als 100 Schritten ent-wickelt (Bild 2), unter Verwendung ausgeklügelter, drei -dimensionaler numerischer Berechnungen und eines drei-dimensionalen geotechnischen Modells [3]. Die Anwen-dung der Prinzipien der klassischen Beobachtungsmetho-de, charakteristisch für die NÖT, war durch die Größe derKavernen und die Reaktionszeit im Falle eines ungünsti-gen Verhaltens des Ausbaus begrenzt. Trotz der weichen,druckhaften Gebirgsverhältnisse konnte gezeigt werden,dass extragroße Ausbrüche in derartigen Boden- und Fels-

Fig. 3. Longitudinal geological section along the northern part of the left tube. Top: Model 2002 [4]; below: Model 2006 [6]Bild 3. Geologischer Längsschnitt entlang des nördlichen Teils der linken Röhre. Oben: Modell 2002 [4]; unten: Modell 2006 [6]


undergone intense tectonic deformations, presumablyduring several deformation phases. Due to intensive tec-tonics the rock is folded, fault zones are up to several me-tres thick and consist mainly of gouge clay. The rock massitself is very heterogeneous and anisotropic [5].

The quantity of water that percolated from the sur-face into the tunnel tube was small. Water appeared main-ly in fault zones. Together with deformations that oc-curred due to tunnelling this water caused the increase ofthe water content along the foliation and consequently thedecrease of rock mass strength, which affected mechanicalbehaviour of the rock mass and worsened the tunnellingconditions in the vicinity of fault zones [5].

The initial geological model from 2002 [4] was basedon a routine investigation programme and predicted rela-tively homogeneous domains of partly folded and tec-tonised meta-sandstones, meta-siltstones and slates thatare bounded by low-angle thrust zones and high-anglefaults (Figure 3). Conditions were estimated in the rangefrom fair to very poor. The most probable rock mass be-haviour types were found to be block failure and plasticdeformations.

Excavation of the exploration gallery and associatedcomprehensive investigation program provided the possi-bility to upgrade the input and develop a new geotechnicalmodel – called Model 2005 – for a 400 m long alignmentsection, along which the merging caverns could be techni-cally located [1] [5]. New relevant data sets were compiledin a Geographic Information System (GIS, Figure 4). The

verhältnissen möglich sind, vorausgesetzt, dass ausrei-chend große Verformungen zugelassen werden, um dieSpannungen auf den primären Ausbau zu beschränkenund vorausgesetzt, dass das Gebirge umfangreich mit Fels -ankern gesichert wird. Diese Art des Entwurfs ist nur mög-lich, wenn eine Vorhersage des Verformungsverhaltensunter Berücksichtigung der angetroffenen geologischenStruktur im Vorfeld entwickelt wird und kritische Ver -sagensmechanismen definiert werden. Die Tools zur Ver-ringerung des Risikos in diesem Projekt waren der Aus-bruch des Erkundungsstollens mit einer detaillierten Un-tersuchung des umgebenden Gebirges, in Verbindung miteinem Verformungsmonitoring und der Nutzung einesausgeklügelten Modells zur Definition von Versagensme-chanismen und Verformungsmustern.

3 Geologische Strukturen

Die Trasse des Sentvid-Tunnels verläuft durch dichtes,schiefriges klastisches Sedimentgestein aus dem Karbon,hauptsächlich Sandsteine, Schluffsteine und Tonschiefer.Die Region hat starke tektonische Deformationen erfah-ren, vermutlich während mehrerer Verformungsphasen.Durch die starke Tektonik ist der Fels gefaltet, Störungs-zonen sind bis zu mehreren Metern dick und bestehenhauptsächlich aus Verwerfungston. Das Gebirge an sichist sehr heterogen und anisotrop [5].

Die Wassermenge, die von der Geländeoberfläche inden Tunnel einsickerte war gering. Wasser wurde haupt-



Fig. 4. Step-by-step procedure for defining the position of both caverns. A: Geological and geotechnical model 2005 usingGIS technology, B: Data evaluation, C: Data interpretation and decision [6]Bild 4. Schrittweiser Ablauf zur Festlegung des Standortes der beiden Kavernen. A: Geologisches und geotechnischesModell 2005, unter Benutzung eines GIS, B: Datenauswertung, C: Interpretation der Daten und Standortscheidung [6]



Table 2. Rock mass characterizationTabelle 2. Gebirgsklassifizierung

Rock Mass Type Lithology, prevailing GSI Value Basic Classification CharacteristicsGebirgstyp Überwiegende Lithologie GSI Grundlegende Klassifizierungseigenschaften

Rock Mass Description Typical CharacteristicsGebirgsbeschreibungen Typische Eigenschaften

RMT 1 Intercalations of meta-sand- 30–45 Jointed rock mass. Fracturing: 6–20 cmstone and meta-siltstone; Schistosity < 150 mm. RQD: typically 0 % Meta-sandstone typically Slightly to moderately sheared. locally < 40 %prevailing Good interlocking, high rock Core Recovery:

mass cohesion. typically > 90 %

Wechsellagerung von meta- Geklüfteter Fels. Bruchstückgröße: 6–20 cmmorphen Sand- und Schluff- Schieferung < 150 mm. RQD: üblicherweise 0 % steinen; Leicht bis mäßig zerschert. lokal < 40 %Typischerweise überwiegend Gute Verzahnung, hohe Kerngewinn:metamorpher Sandstein Kohäsion. üblicherweise > 90 %

RMT 2 Meta-siltstone with meta- 20–30 Jointed rock mass. Fracturing: 2–6 cm.sandstone layers/lenses, Schistosity < 30 mm. RQD: typically 0 %, locally with slate layers Moderately to highly sheared. rarely < 40 %

Low rock mass cohesion. Core Recovery: often < 90 %Frequently enhanced water circulation.

Metamorpher Schluffstein Geklüfteter Fels Bruchstückgröße: 2–6 cmmit metamorphen Sandstein- Schieferung < 30 mm. RQD: üblicherweise 0 %, schichten oder -Linsen, lokal Mäßig bis stark zerschert. selten < 40 %mit Tonschieferschichten Geringe Kohäsion. Kerngewinn: häufig < 90 %

Häufig erhöhter Wasser-andrang.

RMT 3 Slate, locally with meta- 15–20 Intensely foliated rock mass Fracturing: < 2 cmsandstone/meta-siltstone with spacing < 10 mm. RQD: always 0 %layers Partly disintegrated to clay. Core Recovery: usually < 80 %,

Highly to intensely sheared. often < 70 %Usually related to low-angle and high angle shearing.Very low cohesion.Thickness may exceed 10 m.

Tonschiefer, local mit Stark geschieferter Fels mit Bruchstückgröße: < 2 cmSchichten von metamorphem einem Abstand < 10 mm. RQD: immer 0 %Sand- oder Schluffstein Teilweise zu Ton zersetzt. Kerngewinn:

Hoch bis stark zerschert. üblicherweise < 80 % Üblicherweise in Verbindung häufig < 70 %mit flachen oder steilen Störungen.Sehr geringe Kohäsion.Mächtigkeit kann 10 m über-steigen.

RMT 4 Fault breccias, fault gauge < 15 Soil-like, chaotic. With plastic Fracturing: < 2 cm, with tectonic clay matrix prevailing. clayey fault gouge.Usually related to slate RQD: always 0 %materials. Core Recovery: variable, Intensely sheared. Typically depending on clay content.related to low-angle shearing.Thickness usually < 5 cm at tunnel level.

Störungs-Brekzien, Bodenähnlich, unstrukturiert. Bruchstückgröße: < 2 cm, Verwerfungston Mit überwiegender Matrix aus mit Verwerfungston

plastischem, tektonischen Ton. RQD: immer 0 %.Üblicherweise in Verbindung Kerngewinn: unterschiedlich, mit Tonschiefermaterialien. abhängig vom TongehaltStark geschert. Typischerweise in Verbindung mit flachen Störungen.Dicke üblicherweise < 5 cm auf Tunnelhöhe.



new model characterized rock mass by four distinctiveRock Mass Types based on Lithology and GSI, which arelisted and described in Table 2.

The model also considered the observed displace-ments during gallery excavation for defining behaviour

sächlich in den Störungszonen angetroffen. Zusammenmit den durch den Ausbruch auftretenden Verformungenverursachte dieses Wasser einen Anstieg des Wassergehal-tes entlang der Schieferung und folglich eine Abnahmeder Gebirgsfestigkeit, welche das mechanische Verhalten

Table 3. Assessment of typical and critical rock mass behaviour during tunnel excavation for three ground modelsTabelle 3. Einschätzung des typischen und des kritischen Gebirgsverhaltens während des Tunnelausbruchs, getrennt nachden drei Baugrundmodellen

Model 2002 Model 2005 Model 2006

Typical behaviour Plastic deformations Relaxation sliding along Relaxation sliding along Typisches Verhalten (C2 & C3) shear planes shear planes

Plastische Verformungen Entlastungsgleiten entlang Entlastungsgleiten entlang (C2 & C3) von Scherebenen von Scherebenen

Block failure (B2) Discontinuity-controlled ravelling Discontinuity-controlled ravelling

Blockversagen (B2) Trennflächenbedingtes Abbröckeln Trennflächenbedingtes Abbröckeln

Critical behaviour Elevated plastic Plastic radial deformations Elevated roof settlementsKritisches Verhalten deformations (C3)

Erhöhte plastische Plastische radiale Verformungen Erhöhte FirstsetzungenVerformungen (C3)

Large-scale block failure Elevated asymmetric horizontal displacements

Großflächiges Blockversagen Erhöhte asymetrische horizontale Verschiebungen

Fig. 5. Longitudinal geological section along the bifurcation cavern of the right tube. Evolution of geological models andestimated level of reliability of geological model after each investigation/construction stage [6]Bild 5. Geologischer Längsschnitt entlang der Verzweigungskaverne der rechten Röhre. Entwicklung der geologischen Modelle und geschätzter Zuverlässigkeitsgrad des geologischen Modells nach der jeweiligen Erkundungs-, bzw. Bauphase [6]



types. The prevailing expected behaviour during the tun-nel excavation was relaxation sliding along schistosity orfault planes and discontinuity controlled ravelling in low-cohesion materials. Elevated radial displacements wouldonly occur locally in association to low-strength RMT3 orRMT4 materials. Furthermore, the most probable failuremechanism was recognized as sudden and large-scale slabfailure in the crown along undetected detachment planes.

Later on, Model 2005 was tested during the excava-tion of the main tunnel tubes with extensive back analysesand as such upgraded with new data sets including ob-served deformation patterns. Again, GIS data base wasused to compile and statistically evaluate relevant data. Inthis way Model 2006 was obtained after the excavation ofthe motorway tunnel [6]. In Figure 5 the three geologicalmodels are compared for the location of the bifurcationcavern in the right tube. The designers’ estimate of the lev-

des Gebirges beeinflusste und die Ausbruchbedingungenin der Nähe von Störungszonen verschlechterte [5].

Das ursprüngliche geologische Modell aus dem Jahr2002 [4] basierte auf einem Routineuntersuchungspro-gramm und sagte relativ homogene Bereiche von teil -weise gefalteten und tektonisierten metamorphen Sand-und Schluffsteinen sowie Tonschiefern, welche mit fla-chen und steilen Störungszonen verbunden sind (Bild 3).Die Verhältnisse wurden als ausreichend bis sehrschlecht bewertet. Als wahrscheinlichstes Gebirgsverhal-ten wurden Blockversagen und plastische Verformungenerwartet.

Der Ausbruch des Erkundungsstollens und das damitverbundene umfangreiche Untersuchungsprogramm er-möglichte die Erweiterung der Eingangsdaten und dieEntwicklung eines neuen geologischen Modells – das so-genannte Model 2005 – für einen 400 m langen Trassen-abschnitt, entlang dessen es technisch möglich war, dieVerbindungskavernen anzuordnen [1] [5]. Die relevantenneuen Datensätze wurden in einem Geographischen In-formationssystem (GIS, Bild 4) zusammengeführt. Im neuen Modell wurde das Gebirge in vier unterschiedlicheGebirgstypen unterschieden, basierend auf der Lithologieund dem Parameter GSI (Geological Strength Index), wiein Tabelle 2 beschrieben ist.

Im Modell wurden außerdem die beobachteten Ver-schiebungen während des Ausbruchs des Stollens berück-sichtigt, um verschiedene Verhaltenstypen zu charakteri-sieren. Das überwiegend zu erwartende Verhalten wäh-rend des Tunnelausbruchs war ein Entspannungsgleitenentlang der Schieferung oder entlang von Störungsebenenund Störungen mit kohäsionslosen Materialien. Erhöhteradiale Verschiebungen würden nur lokal in Verbindungmit den gering festen Materialien RMT3 oder RMT4 auf-treten. Weiterhin wurde als wahrscheinlichster Versagens-

Fig. 6. Position of exploration gallery within the tunnel cross sectionBild 6. Lage des Erkundungsstollens innerhalb des Tunnelquerschnitts

Fig. 7. Layout of the exploration gallery (dotted line) withinthe Šentvid tunnel system Bild 7. Layout des Erkundungsstollens (gestrichelte Linie)innerhalb des Sentvid-Tunnelsystems



el of reliability of each geological model (on a scale from 0to 10) is also presented. Table 3 presents the evolution ofthe assessment of typical and critical behaviour duringtunnelling for the three geological models.

4 Exploration gallery

The main objective for the excavation of the gallery was todetermine the best possible location for the caverns. In or-der to minimize the influence of the gallery on the sur-rounding rock mass and not to hinder the excavation of themain tubes, the gallery was positioned in the area of thetop heading of the main tube cross section (Figure 6). Thegallery started from above the tunnel alignment (point 1)and was connected to the main tube at point 2 (Figure 7).As soon as the location of the cavern in the right main tubewas determined, the excavation works continued in the leftmain tube. The total length of the exploration gallery was655 m and its cross-sectional area was 13 m2.

5 3D displacement measurements ahead of the tunnel face

During the design and construction of the Šentvid tunnelthe displacements of the tunnel lining were monitored asfollows:– within the exploration gallery during its excavation,– within the main tunnel during the excavation of the

motorway tunnel,– within the exploration gallery ahead of the face of the

motorway tunnel.

While the displacement measurements behind the excava-tion face (first two items) present an integral part of theNATM, the existence of the exploration gallery offered thepossibility to monitor also the displacements ahead of themotorway tunnel face during its excavation.

Displacements ahead of the excavation face and thedisplacements that occur between the excavation of a sec-tion and the first measurement of the target in this section(pre-displacements) need to be known in order to obtainthe complete deformation curve of the underground open-ing. Experimental measurements [7] indicate that morethan 30 % of total ground deformation due to tunnellingprocess occur ahead of the excavation face. Hoek suggest-ed [8] that the deformation of the rock mass starts at aboutone half of a tunnel diameter ahead of the tunnel face andthat at the face position about one third of the total radialclosure has already occurred. Unlike displacement mea-surements within the excavated tunnel, pre-displacementscannot be measured with conventional geodetic equip-ment. Measurements of the effect of the approaching faceusing different geotechnical methods are reported in liter-ature. At the Trojane tunnel, horizontal inclinometerswere used by Volkmann et al. [9] and multi-point verticalextensometer by Štimulak et al. [10]. Analysis of the resultsfrom both above mentioned instruments showed that atthe Trojane tunnel about 75 % of displacements occurredahead of the face [11], although a stiff lining was used andfast ring closure was enforced due to tunnelling with lowoverburden under existing infrastructure and buildings.The Trojane tunnel was constructed in similar geologicalconditions as the Šentvid tunnel.

mechanismus ein plötzliches und großmaßstäbliches Ver-sagen von Felsplatten in der Firste entlang unentdeckterTrennflächen identifiziert.

Später wurde das Modell 2005 während des Aus-bruchs der Haupttunnelröhren durch ausgiebige Rück-rechnungen getestet und als solches mit neuen Datensät-zen erweitert, welche auch die beobachteten Verfor-mungsmuster beinhalteten. Es wurde wiederum ein GISverwendet, um die relevanten Daten zusammenzuführenund statistisch auszuwerten. Auf diese Weise wurde nachAusbruch des Straßentunnels das Model 2006 erzeugt [6].In Bild 5 werden die drei geologischen Modelle für denBereich um die Abzweigungskaverne der rechten Röhreverglichen. Ebenfalls dargestellt ist der von den Entwurf-serstellern abgeschätzte Zuverlässigkeitsgrad für das jewei-lige geologische Modell (auf einer Skala von 0 bis 10). InTabelle 3 ist die Entwicklung der Einschätzung des typi-schen und kritischen Verhaltens während des Ausbruchsfür die drei geologischen Modelle dargestellt.

4 Der Erkundungsstollen

Das Hauptziel des Erkundungsstollens war die Bestim-mung der bestmöglichen Standorte für die Kavernen. Umden Einfluss des Stollens auf das umgebende Gebirge zuminimieren und den Ausbruch der Hauptröhren nicht zubehindern, wurde der Stollen im oberen Bereich des Quer-schnitts der Hauptröhren angelegt (Bild 6). Der Stollenbegann oberhalb der Tunneltrasse (Punkt 1) und wurdemit der Hauptröhre an Punkt 2 verbunden (Bild 7). So-bald die Position der Kaverne in der rechten Hauptröhrefestgelegt war, wurden die Ausbrucharbeiten in der linkenHauptröhre fortgesetzt. Die Gesamtlänge des Erkun-dungsstollens betrug 655 m und die Querschnittsflächewar etwa 13 m2 groß.

5 3D Verschiebungsmessungen vor der Ortsbrust

Während des Entwurfs und der Erstellung des Sentvid-Tunnels wurden die Verschiebungen der Tunnelausklei-dung wie folgt beobachtet:– innerhalb des Erkundungsstollens während seines Aus-

bruchs,– innerhalb des Haupttunnels während des Ausbruchs des

Straßentunnels,– innerhalb des Erkundungsstollens vor der Ortsbrust des

Straßentunnels.

Während die Verschiebungsmessungen hinter der Orts-brust (die ersten beiden Spiegelstriche) einen integriertenBestandteil der NÖT darstellen, ermöglichte der Erkun-dungsstollen die Möglichkeit außerdem die Verschiebun-gen vor der Ortsbrust des Straßentunnels zu beobachten.

Die Verschiebungen vor der Ortsbrust und die Ver-schiebungen zwischen dem Ausbruch eines Abschlags undder ersten Messung des Messpunktes in diesem Abschnitt(Vorverschiebungen) mussten bekannt sein, um den voll-ständigen Verformungsverlauf des unterirdischen Hohl-raums zu ermitteln. Versuchsweise Messungen [7] habengezeigt, dass über 30 % der gesamten Geländeverformun-gen während des Tunnelausbruchs vor der Ortsbrust auf-treten. Hoek hat vorgeschlagen [8], dass die Gebirgsverfor-


6 Experiment in the exploration gallery of the Šentvid tunnel

Within the existing small diameter exploration gallery acomprehensive monitoring scheme was established duringthe excavation of the main tunnel, partly in the right tube,partly in the left tube and in the cross passage between thetubes. The experiment commenced in the beginning ofSeptember 2005 and finished in April 2006.

In order to enable the continuous measurements ofgeodetic points installed in the exploration gallery and toreduce the number of entries into the gallery during ex -cavation works at the tunnel face and to minimize the riskof being buried inside the gallery, a total station TCRP1201R300 (Leica Geosystems Inc.) was used with its Auto-matic Target Recognition (ATR) sensor that allowed high

mung ungefähr einen halben Tunneldurchmesser vor derOrtsbrust beginnt und an der Position der Ortsbrust be-reits ein Drittel der gesamten radialen Verformungen ein-getreten ist. Entgegen der Verschiebungsmessungen inner-halb des ausgebrochenen Tunnels können die Vorver-schiebungen nicht mit konventioneller geodätischer Ausrüstung gemessen werden. In der Literatur wird vonverschiedenen geotechnischen Methoden berichtet, umMessungen der nahenden Ortsbrust durchzuführen. ImTrojane-Tunnel wurden von Volkmann et al. [9] horizon -tale Inklinometer verwendet, sowie vertikale Mehrfach -extensometer von Štimulak et al. [10]. Eine Auswertungder Ergebnisse der beiden genannten Instrumente zeigte,dass beim Trojane-Tunnel etwa 75 % der Verschiebungenvor der Ortsbrust auftraten [11], obwohl ein steifer Innen-

Fig. 8. Scheme and photos of the 3D displacement measurements in the exploration gallery ahead of the face of the motor-way tunnelBild 8. Schematische Darstellung und Fotos der dreidimensionalen Verschiebungsmessungen im Erkundungsstollen vor derOrtsbrust des Straßentunnels



precision automatic angle and distance measurements ofprisms. 3D positions of prisms were recorded each hour.In general, crown points were situated every 2 m (measur-ing sections MP1), sidewall and bottom points every 6 m(measuring sections MP4) as seen from the characteristiclayout in Figure 8. The total station was installed on asteel cantilever beam on the sidewall of the explorationgallery and was always kept at larger distances from theapproaching motorway tunnel face due to safety reasons.The position of the total station was determined fromknown positions of three reference points even further in-to the exploration gallery, in a section that had not yetbeen influenced by the approaching motorway tunnelface. In a period of almost 8 months altogether 118 mea-suring sections were monitored covering a total length of

ausbau verwendet wurde und wegen der niedrigen Über-deckung unterhalb bestehender Infrastruktur und Gebäu-den ein schneller Ringschluss durchgeführt wurde. Diegeologischen Verhältnisse beim Bau des Trojane-Tunnelswaren ähnlich wie die beim Bau des Sentvid-Tunnels.

6 Experiment im Erkundungsstollen des Sentvid-Tunnels

Innerhalb des bestehenden Erkundungsstollens mit klei-nerem Durchmesser wurde während des Ausbruchs desHaupttunnels ein umfassendes Beobachtungssystem ein-gerichtet, zum Teil in der rechten Röhre, zum Teil in derlinken Röhre, und auch in den Querschlägen zwischenden Röhren. Das Experiment begann Anfang September2005 und wurde im April 2006 beendet.

Fig. 9. Vertical, horizontal and longitudinal displacement contours of the crown point along the monitored section of the left tube of the exploratory tunnelBild 9. Verlauf der Vertikal-, Horizontal- und Längsverschiebungen des Firstpunktes entlang des beobachteten Abschnittsder linken Röhre des Erkundungsstollens



242 m in diverse geological conditions. A 30 to 40 m longsection was monitored at a time. As excavation works pro-gressed, the targets were moved from the near-face posi-tion to the back of the monitored section. A comprehen-sive layout scheme and more technical details on the exe-cution of the experiment in the exploration gallery of theŠentvid tunnel are thoroughly described in [11] and [12].

The magnitude of the measured displacements was inthe range from a few millimetres to almost 35 cm with aback-calculated measuring accuracy of 2 mm [13]. Inter-esting deformation patterns were observed due to diverse

Um die kontinuierlichen Messungen der installiertengeodätischen Beobachtungspunkte in dem Erkundungs-stollen zu ermöglichen, um die Anzahl der Einstiege inden Stollen während der Ausbrucharbeiten an der Orts-brust zu reduzieren und um das Risiko einer Verschüttungim Stollen zu minimieren wurde eine TCRP 1201R300 To-talstation (Leica Geosystems Inc.) mit einem automati-schen Zielerkennungssensor (ATR) verwendet, der hoch-präzise, automatische Winkel- und Entfernungsmessun-gen der Prismen erlaubte. Die dreidimensionale Lage derPrismen wurde stündlich gemessen. Für gewöhnlich wa-

Fig. 10. Spatial displacement history plot of four monitored points in measuring cross section P31 in the left tube of the exploratory tunnel and plot of the top heading advanceBild 10. Räumliche Verschiebungsgeschichte von vier beobachteten Punkten im Messabschnitt P31 in der linken Röhre desErkundungsstollens und Darstellung des Fortschritts des oberen Bereichs



geological conditions and changing geometry of the maintunnel: effects of face support by rock bolt installation,rock mass response when approaching and passing a faultzone, alterations in displacement vector orientation aheadof the face in rock mass of different stiffness, effects of dif-ferent ground types on the extension of the influence zoneahead of the face and the portion of the pre-displacementsin the total displacement curve, changes of displacementvector orientation due to anisotropic rock mass. The lattertwo are discussed in this paper; for information on otherresults refer to the work of Klopcic et al. [11] [14].

Measured displacements along the exploratory tun-nel in the left tunnel tube are shown in Figure 9, togetherwith plan view and longitudinal section of geological situ-ation. The same figure also gives the extreme values of dis-placements at characteristic measuring points. Results ofmeasurements in the right tube are not shown in this pa-per. There, the displacements were much smaller since thecavern was positioned within sandstone block. Maximumvertical displacements in double-lane tunnel before thecavern were up to 2.5 cm and within the cavern only a fewmillimetres.

A characteristic 3D displacement history plot of aMP4 measuring section is shown in Figure 10. This mea-suring section was located at the beginning of the cavern,where the top heading excavation cross section graduallyincreases from 56 m2 in the 2-lane tunnel to 93 m2 in thecavern. With approaching excavation, the first measureddeformation of the lining of the exploratory tunnel aheadof the face was generally in radial direction, later on longi-tudinal deformation occurred. Possible cause could be theeffect of axial stiffness of the primary lining of the galleryahead of the face. As expected, the longitudinal deforma-

ren die Beobachtungspunkte in der Firste alle 2 m (Mess-abschnitt MP1), die an den Seitenwänden und auf demBoden alle 6 m (Messabschnitt MP4) platziert, wie dem inBild 8 dargestellten typischen Layout entnommen werdenkann. Die Totalstation war auf einem Stahlträgerbalkenan der Seitenwand des Erkundungsstollens befestigt undaus Sicherheitsgründen stets in größerer Entfernung vonder sich nähernden Ortsbrust des Straßentunnels. Die La-ge der Totalstation wurde von den bekannten Positionendrei er Referenzpunkten aus bestimmt, die weiter inner-halb des Erkundungsstollens in einem bis dahin von dersich nähernden Ortsbrust unbeeinflussten Abschnitt la-gen. In einem Zeitraum von 8 Monaten wurden insgesamt118 Messabschnitte beobachtet, die eine Gesamtlänge von242 m in unterschiedlichen geologischen Bedingungenumfassten. Es wurde jeweils ein 30 bis 40 m langer Ab-schnitt gleichzeitig beobachtet. Mit Fortschreiten der Aus-brucharbeiten wurden die Beobachtungspunkte aus derNähe der Ortsbrust in die weiter hinten liegenden Beob-achtungsabschnitte umgesetzt. Eine ausführliche Darstel-lung des gesamten Messsystems und weitere technischeDetails der Ausführung des Experimentes in dem Erkun-dungsstollen des Sentvid-Tunnels sind in [11] und [12]nachzulesen.

Die Größenordnung der gemessenen Verschiebungenreichte von einigen Millimetern bis zu fast 35 cm, mit einer rückgerechneten Messgenauigkeit von 2 mm [13]. In-teressante Verformungsmuster wurden aufgrund der ver-schiedenartigen geologischen Bedingungen und wechseln-den Geometrie des Haupttunnels beobachtet: Einfluss derInstallation der Ortsbrustsicherung aus Felsnägeln, Ge-birgsantwort bei Annäherung und Durchörterung von Stö-rungszonen, Wechsel der Ausrichtung des Verschiebungs-

Fig. 11. Bilinear displacement vectors measured during the excavation of the motorway tunnel in cross and longitudinalsection for measuring section P31 in the left tube of the exploratory tunnel Bild 11. Während des Ausbruchs des Straßentunnels gemessene bilineare Verschiebungsvektoren im Quer- und Längsschnittfür Messabschnitt P31 in der linken Röhre des Erkundungsstollens



tion was towards the approaching face, only the displace-ment vector of the bottom target pointed in the oppositedirection and could be explained by the rotation of thetarget base that was fixed into the ground due to grounduplift (Figure 10). From the displacement curves in Figure10 it is evident that at some point the displacement ratesstarted to accelerate, especially the longitudinal displace-ments increased significantly (from about 2 cm to almost10 cm for the crown point). This happened when the facewas some metres away (typically 1/2 tunnel diameter)from the measuring section. Large displacements in thisarea often caused cracking of the shotcrete and somepieces could fall down.

The obtained time-displacement curve is of parabolicshape in vertical and longitudinal direction. The displace-ment curve in the horizontal direction is somewhat differ-ent, but can be explained with the effect of the foliation ofthe surrounding rock mass. Prevailing geological structurein the monitored section is characterized by sub-horizon-tal foliation in the cross section with slight inclination to-wards the left side of the tunnel and steeply inclined folia-tion into the excavation direction in longitudinal sectionas shown in Figure 11. The dip angle of the foliation is approximately 55° and dip direction 25° relative to thetunnel axis and pointing to the left sidewall. Tunnel ex -cavation in this section was therefore performed withanisotropy planes dipping into the direction of further ex-

vektors vor der Ortsbrust in Gesteinen mit unterschied -licher Steifigkeit, Einfluss verschiedener Bodenarten aufdie Ausdehnung des Einflussbereichs vor der Ortsbrustund den Anteil der Vorverformungen an den Gesamtver-formungen, Änderungen des Verschiebungsvektors durchanisotrope Gebirgsverhältnisse. Die letzten beiden Punktewerden in diesem Artikel behandelt; für weitergehende Informationen über die anderen Ergebnisse wird auf dieArbeit von Klopcic et al. [11] [14] verwiesen.

Die entlang des Erkundungsstollens gemessenen Ver-schiebungen in der linken Tunnelröhre sind in Bild 9 dar-gestellt, zusammen mit einem Grundriss und einemLängsschnitt der geologischen Situation. In der gleichenAbbildung sind auch die Extremwerte der Verschiebungenan typischen Messpunkten dargestellt. Ergebnisse derMessungen in der rechten Tunnelröhre sind in diesem Artikel nicht dargestellt. Dort waren die Verschiebungendeutlich kleiner, da die Kaverne in einem Block aus Sand-stein positioniert war. Die maximalen vertikalen Verschie-bungen in dem 2-spurigen Tunnel vor der Kaverne erreich-ten bis zu 2,5 cm, innerhalb der Kaverne lediglich ein paarMillimeter.

In Bild 10 ist ein typischer Verlauf der räumlichenVerschiebungsgeschichte eines MP4 Messabschnittes dar-gestellt. Dieser Messabschnitt lag am einen Ende der Ka-verne, wo sich der obere Ausbruchsquerschnitt schrittwei-se von 56 m2 im 2-spurigen Tunnel auf 93 m2 innerhalb

Fig. 12. Comparison of the displacements ahead of the face and the displacements after the excavation of the motorwaytunnel at chainage km 1.4+44 in the left tube of the Šentvid tunnel – displacement vectors in cross section with face logBild 12. Vergleich der Verschiebungen vor der Ortsbrust und der Verschiebungen nach Ausbruch des Straßentunnels beiTunnelkilometer 1,4+44 in der linken Röhre des Sentvid-Tunnels – Verschiebungsvektoren im Querschnitt mit der Ortsbrust-aufnahme



cavation, also referred to as tunnelling with dip accordingto Tonon [15].

The displacement vectors ahead of the excavationface followed the direction of the rock mass foliationwhen the excavation face was far away from the observedcross section. In this first deformation phase the addition-al rock mass pressure onto the primary lining was smalland the sliding mechanism along the foliation dominatedover the radial deformation due to rock mass pressure. Forthis reason, the left sidewall point tended vertically downand not in the radial direction. As the tunnel face ap-proached the observed cross section, the displacementsdue to the rock mass pressure became significantly largerand displacement vectors changed their orientation. Thedeformation mechanism changed from deformation paral-lel to anisotropy planes to perpendicular direction. Suchresponse can be observed in some cross sections, whileothers do not exhibit such explicit behaviour.

If measured displacements ahead of the main tunnelface are compared along the tunnel axis with the displace-ments of the main tunnel at the same chainages, an esti-mation of the pre-face displacements portion within totalmeasured displacements is possible.

The displacement vectors of the exploration galleryand of the main tunnel, caused by the execution of themain tunnel, are plotted in Figure 12. The influence ofrock mass anisotropy as described above can be seen. Themagnitudes of the vertical and horizontal displacementsof both sidewall points in the exploratory tunnel were ap-proximately the same as the displacements of the sidewallpoints in the primary lining of the double-lane tunnel. Thevertical displacement of the crown point was somewhatsmaller in the exploration gallery than the vertical dis-placement of the crown point target in the main tunneland reached about 35 % of total measured displacement(marked with a red square in Figure 14 for the cross sec-tion shown). Total measured displacement refers to thesum of displacements measured ahead of and behind theface of the main tunnel. The displacements caused by the

der Kaverne aufweitet. Mit näher kommendem Ausbruchtraten zunächst Verformungen im Ausbau des Erkun-dungsstollens vor der Ortsbrust auf, prinzipiell in radialerRichtung, später traten Verformungen in Längsrichtungauf. Eine mögliche Ursache könnte der Einfluss der Steifigkeit der Stollenauskleidung vor der Ortsbrust sein.Wie zu erwarten erfolgten die Längs-Verformungen inRichtung der sich nähernden Ortsbrust, lediglich der Ver-schiebungsvektor des unteren Messpunktes zeigte in dieentgegengesetzte Richtung. Dies könnte mit einer Dre-hung des Messpunktes durch anheben des Bodens erklärtwerden, auf dem der Messpunkt befestigt war (Bild 10).Aus dem Verschiebungsverlauf in Bild 10 ist ersichtlich,dass sich die Verschiebungrate an einem bestimmtenPunkt anfängt zu erhöhen. Insbesondere die Längs-Ver-schiebungen erhöhten sich signifikant von etwa 2 cm auffast 10 cm für den Firstpunkt. Dies geschah, als die Orts-brust nur noch wenige Meter von dem Messabschnitt ent-fernt war, üb licherweise etwa einen halben Tunneldurch-messer. Große Verschiebungen in diesem Bereich verur -sachen häufig ein Aufreißen und Abplatzen des Spritz -betons.

Die ermittelte Zeit-Verschiebungskurve ist in vertika-ler und in Längsrichtung parabelförmig gekrümmt. DieVerschiebungskurve in horizontaler Richtung sieht etwasunterschiedlich aus, der Verlauf kann aber mit dem Ein-fluss der Schieferung des umgebenden Gebirges erklärtwerden. Die dominierende geologische Struktur im beob-achteten Abschnitt wird aus einer sub-horizontalen Schie-ferung im Querschnitt mit leichter Neigung zur linken Sei-te des Tunnels charakterisiert, sowie einer steil geneigtenSchieferung in Ausbruchrichtung im Längsschnitt, wie inBild 11 gezeigt wird. Der Fallwinkel der Schieferung be-trägt etwa 55° und die Streichrichtung etwa 25° in Bezugzur Tunnelachse in Richtung der linken Seitenwand. DerAusbruch des Tunnels erfolgte in diesem Abschnitt dem-nach mit in Ausbruchrichtung einfallenden Anisotropie-ebenen, nach Tonon [15] auch Tunnelausbruch mit Einfal-len genannt.

Fig. 13. Results (displacements) of 3D numerical model in longitudinal section for isotropic rock mass (left) and anisotropicrock mass (right). Each contour line presents 1/20 of the maximum displacement of the modelBild 13. Ergebnisse (Verschiebungen) des dreidimensionalen Modells im Längsschnitt für isotrope Bedingungen (links) undanisotrope Bedingungen (rechts). Jede Konturlinie stellt 1/20 der Gesamtverschiebungen des Modells dar



exploration gallery execution are neglected. It should alsobe stressed that the targets, where the displacements weresummed up and compared, were not installed at the sameplaces in the observed cross section, as can be seen in Fig-ure 12. 3D numerical studies performed by Jemec [16]showed that the presence of the exploration gallery hadlimited effect on the rock mass behaviour during the exca-vation of the main tunnel. Nevertheless, different loca-tions of the measuring point in the exploration gallery andin the main tunnel make direct comparison difficult. From3D numerical calculations it can be seen that in the caseof isotropic rock mass (Figure 13, left) immediately aheadof the excavation face displacement at the crown of theexploration gallery is slightly larger than at the futurecrown of the large tunnel. If we consider the anisotropicrock mass with the observed dip and dip direction of folia-tion along the considered tunnel section using the jointedrock material model in the Plaxis 3D Tunnel programme(Figure 13, right), the result is just the opposite: immedi-ately ahead of the excavation face the displacement at thecrown of the exploratory gallery is slightly smaller than atthe future crown of the large tunnel. Further away fromthe excavation face displacements of both points becomemore similar. However, the difference in the magnitude ofthe displacements of both points is not large. In both nu-merical calculations the difference is less than 5 % of max-imum displacement.

In the monitored section of the left tube of theŠentvid tunnel the measured displacements ahead of the

Die Verschiebungsvektoren vor der Ortsbrust folgtender Richtung der Schieferung, solange die Ortsbrust weitentfernt von dem beobachteten Querschnitt war. In dieserersten Verformungsphase war der zusätzliche Gebirgs-druck auf den Ausbau gering und der Gleitmechanismusentlang der Schichtung dominierte über die radialen Ver-formungen aus Gebirgsdruck. Der Messpunkt auf der lin-ken Seitenwand strebte daher eher vertikal nach unten alsin radiale Richtung. Sobald die Ortsbrust sich dem beob-achteten Querschnitt näherte, erhöhten sich die Verschie-bungen durch den Gebirgsdruck erheblich und die Ver-schiebungsvektoren änderten ihre Richtung. Die Verfor-mungsmechanismen änderten sich von Verformungen pa-rallel zur Anisotropieebenen in eine Richtung senkrechtdazu. Eine solche Antwort kann in einigen der Quer-schnitte beobachtet werden, wohingegen andere kein der-art eindeutiges Verhalten zeigen.

Wenn man die gemessenen Verschiebungen vor derOrtsbrust entlang der Tunnelachse des Haupttunnels mitden Verschiebungen des Haupttunnels an den gleichenTunnelkilometern vergleicht, ist es möglich, den Anteil derVerschiebungen vor der Ortsbrust an den Gesamtverschie-bungen abzuschätzen.

Die Verschiebungsvektoren des Erkundungsstollensund des Haupttunnels, die durch den Ausbruch desHaupttunnels versursacht wurden, sind in Bild 12 darge-stellt. Der Einfluss der Anisotropie des Gebirges ist deut-lich zu erkennen. Die Größenordnung der vertikalen undhorizontalen Verschiebungen der Messpunkte an der Sei-

Fig. 14. Portion of vertical displacements that occurred ahead of the face for the crown target in the exploratory tunnel andfor a target in the main tunnel situated above the exploration galleryBild 14. Anteil der vertikalen Verschiebungen, die vor der Ortsbrust an einem Messziel in der Firste des Erkundungsstollensauftraten und für ein oberhalb des Erkundungsstollens gelegenes Ziel im Haupttunnel (rote Route)



face amounted to as little as 15 % and up to 45 % of thetotal measured displacements in the same cross section(Figure 14). Areas with lower portion of pre-face displace-ments are coloured in green, while the areas with higherportions are highlighted in reddish colour. Green areascoincide with better geotechnical conditions, with stifferand non-folded rock mass, or folded to smaller extent,while more deformable or intensively faulted rock masscoincides with red colour as can be seen from comparisonwith Figure 3.

As discussed above, the rock mass response is highlydependent on the orientation of anisotropy planes. Notonly the response, but also the portion of pre-face dis-placements in the total displacement curve is strongly cor-related with the relative orientation of anisotropy planesto tunnel axis and the magnitude of anisotropy of rockmass as shown in Figure 15 [11]. These curves were ob-tained by summarizing the results of a large number of 3Dnumerical analysis using Plaxis 3D Tunnel code and joint-ed rock constitutive model varying dip direction and dipangle of anisotropy planes as well as rock mass properties(ratio of elastic moduli in different directions E1 : E2, E1 –elastic modulus of intact material or parallel to anisotropyplanes, E2 – elastic modulus normal to anisotropy planes;

tenwand im Erkundungsstollen war in etwa die gleichewie die Verschiebungen der Messpunkte an der Seiten-wand des Primärausbaus des 2-spurigen Tunnels. Die ver-tikale Verschiebung des Firstpunktes im Erkundungsstol-len war etwas geringer als die vertikale Verschiebung desFirstpunktes im Haupttunnel und erreichte etwa 35 % desgemessenen Gesamtverschiebung (in Bild 14 für den dar-gestellten Querschnitt mit einer roten Route gekennzeich-net). Die gemessene Gesamtverschiebung ist die Summeder Verschiebungen, die vor und hinter der Ortsbrust desHaupttunnels gemessen werden. Die von dem Erkun-dungsstollen verursachten Verschiebungen werden ver-nachlässigt. Es sollte außerdem betont werden, dass dieMesspunkte, an denen die Verschiebungen aufaddiert undverglichen wurden, nicht in allen beobachteten Abschnit-ten an der gleichen Position befestigt waren, wie in Bild 12zu sehen ist. Von Jemec [16] durchgeführte dreidimensio-nale numerische Untersuchungen zeigten, dass der beste-hende Erkundungsstollen nur einen begrenzten Einflussauf das Gebirgsverhalten während des Ausbruchs desHaupttunnels hatte. Nichtsdestotrotz erschweren die un-terschiedlichen Positionen der Messpunkte im Erkun-dungsstollen und im Haupttunnel einen direkten Ver-gleich. Aus dreidimensionalen numerischen Berechnun-

Fig. 15. Dependence of the portion of pre-displacement on the dip direction and dip angle of anisotropy planes, ratio of elastic moduli in two perpendicular directions and ratio between shear modulus G2 and its isotropic value GBild 15. Abhängigkeit des Anteils der Vorverschiebungen von der Einfallrichtung und dem Einfallwinkel der Anisotropie -ebenen, dem Verhältnis der Elastizitätsmoduln in zwei senkrechten Richtungen und dem Verhältnis zwischen dem Schub-modul G2 und seinem isotropen Wert G



ratio of isotropic value of shear modulus G2 on anisotropyplanes). The results of numerical analyses showed that thepre-face portion of displacements (denoted as Q1) is quitedifferent if excavation in the same material is performedfrom two opposite directions in case of a dip direction notperpendicular to tunnel axis. When tunnelling with dip(anisotropy planes dip in the direction of further excava-tion), higher values of portion of pre-face displacementswould be expected than in case of tunnelling against dip(anisotropy planes dip in the excavated space). Both di-rections of excavation differ also in dependence on therock mass properties. In case of tunnelling against dip thepre-face portion of displacements is almost independentof rock mass properties and depends almost exclusively onthe dip angle of anisotropy planes. On the other hand, iftunnelling with dip, the magnitude of anisotropy has largeinfluence on pre-face portion of displacements, especiallyfor dip direction parallel to tunnel axis, where the pre-faceportion of displacements for the dip angle of 60° canamount to between 0.5 and 0.9 of total displacement (seeFigure 15) for the lowest and the highest magnitude ofanisotropy of rock mass, respectively.

The obtained curves were applied at the Trojane tun-nel and enabled understanding of large pre-face displace-ments of up to 85 % of the total displacement path. Thecalculated values were in sound compliance with the mea-sured portions obtained by vertical extensometer and hor-izontal inclinometer and were deducted from the compar-ison of tunnel crown point and surface settlements takinginto account the results of vertical extensometer.

Orientation of foliation for the presented section ofthe left tube of the Šentvid tunnel is very similar for all theareas in Figure 14 as presented by pole plot. Predominantdip direction is close to 45° with dip. Dip angle is gradual-ly decreasing to the right (higher chainages) and is in therange from roughly 30° to 45°. Thus, the stated differencein measured portions of pre-displacements can be as-cribed to changing magnitude of anisotropy in areas of dif-ferent colours. Also, when the dip angle decreases, there isalmost no change in pre-face portion of displacements ei-ther for calculated or for measured displacement for lowermagnitudes of rock mass anisotropy (measured pre-faceportions are similar for areas 4 and 6 in Figure 14 despitethe difference in dip angle). For areas 3 and 5 quite similarportions were obtained within similar orientation ofanisotropy planes (in area 3 a larger scatter of the dip an-gles was encountered, lower pre-displacement portions areassociated with lower dip angle, as seen from geologicallayout in Figure 14). Dip angle of around 30° in area 7 re-sulted in lower portions of pre-face displacement, which isin sound compliance with the differences in calculatedvalues for dip angles of 30° and 45° in Figure 15.

Nevertheless, the measured portions of pre-displace-ments at the Šentvid tunnel are not even close to the cal-culated values, since the measured portions do not take in-to account the displacement that occurred between thelast measurement in the exploratory tunnel before the ex-cavation and the first measurement of the newly installedmeasuring section in the main tunnel. The displacementrates in this phase are the highest because of unsupportedrock mass immediately after the excavation and low stiff-ness of the installed support before the shotcrete hardens

gen wird ersichtlich, dass im Fall eines isotropen Gebirges(Bild 13, links) die Firstverschiebung des Erkundungsstol-lens unmittelbar vor der Ortsbrust etwas größer ist als dieder zukünftigen Firste des großen Tunnels. Wenn die Ani-sotropie des Gebirges mit den beobachteten Fall- undStreichrichtungen der Schichtung entlang des betrachte-ten Tunnelabschnittes mit Hilfe des Jointed Rock MaterialModells in Plaxis 3D Tunnel berücksichtigt wird (Bild 13,rechts), dann ist das Ergebnis genau umgekehrt: die First-verschiebung des Erkundungsstollens unmittelbar vor derOrtsbrust ist etwas kleiner als die der zukünftigen Firstedes großen Tunnels. In größerer Entfernung von der Orts-brust nähern sich die Verschiebungen der beiden Punkteeinander an. Der absolute Unterschied der beiden Ver-schiebungen ist jedoch nicht groß. In beiden numerischenBerechnungen beträgt die Differenz weniger als 5 % dermaximalen Verschiebung.

Im beobachteten Abschnitt der linken Röhre desSentvid-Tunnels betrugen die gemessenen Verschiebungender Ortsbrust gerade einmal 15 bis 45 % der Gesamtver-schiebungen im gleichen Querschnitt (Bild 14). Bereichemit einem geringeren Anteil an Vorverschiebungen sindgrün dargestellt, wohingegen die Bereiche mit höherenAnteilen in rötlicher Farbe hervorgehoben sind. GrüneBereiche decken sich mit günstigeren geotechnischen Be-dingungen mit steiferem und weniger oder gar nicht ge-schiefertem Gebirge, wohingegen verformbareres oderstark geschiefertes Gebirge mit der roten Farbe, wie derVergleich ein Bild 3 zeigt.

Wie bereits erwähnt ist die Antwort des Gebirges inhohem Maße abhängig von der Orientierung der Anisotro-pieebenen. Nicht nur die Antwort, sondern außerdem derAnteil der Vorverschiebungen an den Gesamtverschiebun-gen hängt stark mit der Orientierung der Anisotropie -ebenen in Bezug zur Tunnelachse und der Höhe der Ani-sotropie des Gebirges zusammen, wie in Bild 15 gezeigtwird [11]. Die Verläufe dieser Verschiebungen wurden ge-wonnen, indem die Ergebnisse einer großen Anzahl drei-dimensionaler numerischer Berechnungen mit Plaxis Tun-nel 3D und dem Jointed Rock Material Modell mit Varia-tion der Fall- und Streichrichtungen der Anisotropieebe-nen, sowie der Gebirgseigenschaften (das Verhältnis derElastizitätsmoduln in verschiedenen Richtungen E1 : E2,mit E1 – Elastizitätsmodul des intakten Gebirges parallelzu den Anisotropieebenen, mit E2 – Elastizitätsmodul desintakten Gebirges normal zu den Anisotropieebenen; Ver-hältnis des isotropen Wertes des Schubmoduls G2 auf denAnisotropieebenen) zusammengefasst wurden.

Die Ergebnisse der numerischen Analysen zeigten,dass der Anteil der Vorverschiebungen (als Q1 bezeichnet)ziemlich unterschiedlich ist, wenn der Ausbruch im glei-chen Material von zwei entgegengesetzten Richtungen auserfolgt, zumindest für den Fall, dass die Einfallrichtungnicht rechtwinklig zur Tunnelachse liegt. Wenn der Aus-bruch in Einfallrichtung erfolgt (Anisotropieebenen fallenin Richtung der weiteren Ausbruchs ein), sind höhere Wer-te für den Anteil der Vorverschiebungen zu erwarten alsim Fall des Ausbruchs entgegen der Einfallrichtung (Ani-sotropieebenen fallen in Richtung des ausgehobenen Rau-mes ein). Beide Ausbruchrichtungen unterscheiden sichaußerdem durch die Abhängigkeit von den Gebirgseigen-schaften. Im Fall des Ausbruchs entgegen der Einfallrich-



and before the rock bolts are installed. Also both pointsthat were monitored do not coincide.

On the basis of the displacement’s tangent slope closeto the excavation face (a few days before and after the ex-cavation of the cross section under consideration) andtime delay between the excavation and the first measure-ment, we can anticipate the magnitude of these displace-ments in the range from 10 % to 25 % of the total dis-placements, depending on the quality of the rock mass.During top heading excavation in soft regions the excava-tion of one round length was actually divided into severalsmaller steps of some square metres (pocket excavation)due to high risk of face overbreak. Each individual exca-vated part of the face was immediately stabilized withshotcrete, wire mesh and rock bolts, while only limitedamounts of the shotcrete were applied to the unsupportedcircumference of the tunnel. Not earlier than the excava-tion of the round length had been finished, primary liningwas installed also at the circumference. Such step-by-stepexcavation took several hours to complete. In the mean-time quite some convergences of the unsupported regionoccurred and a smaller portion of the displacement curvewas thus measured on the installed target. In stiffer rockmass, the excavation and support installation sequencedemanded less time and the first measurement of the tar-get was performed in short time after the excavation of theround.

The difference in the pre-face portion of measureddisplacements in various rock mass conditions could alsobe the result of a small equivalent diameter of the ex-ploratory tunnel compared to the main motorway tunneland the size of the geological structure (the sequence ofsofter and stiffer rock mass alternates each 10 to 15 m asseen from Figure 14). The exploratory tunnel is sufficient-ly small to be located in somewhat uniform rock mass andthus its response depends only on local conditions. Onthe other hand, the equivalent diameter of the main mo-torway tunnel is of similar size as the rock mass structureunits and the displacements of the main tunnel circum -

tung ist der Anteil der Vorverschiebungen fast unabhängigvon den Gebirgseigenschaften und hängt fast ausschließ-lich vom Einfallwinkel der Anisotropieebenen ab. BeimAusbruch mit der Einfallrichtung hingegen hat die Größeder Anisotropie einen starken Einfluss auf den Anteil derVorverschiebungen, insbesondere für Einfallrichtungenparallel zur Tunnelachse. So kann der Anteil der Vorver-schiebungen für einen Einfallwinkel von 60° zwischen 50und 90 % der Gesamtverschiebungen betragen (sieheBild 15), für die geringste, bzw. höchste Größe der Gebirg-sanisotropie.

Die ermittelten Verläufe fanden beim Trojane-TunnelAnwendung und ermöglichten die großen Vorverschie-bungen von bis zu 85 % der Gesamtverschiebungen zu ver-stehen. Die berechneten Werte waren in guter Überein-stimmung mit den gemessenen Anteilen, die man aus denvertikalen Extensometern und horizontalen Inklinome-tern erhalten hatte und wurden durch einen Vergleich derTunnelfirstpunkte mit den Oberflächensetzungen abgelei-tet, unter Berücksichtigung der Ergebnisse der vertikalenExtensometer.

Die Orientierung der Schieferung für den dargestell-ten Abschnitt der linken Röhre des Sentvid-Tunnels istsehr ähnlich für alle Bereiche in Bild 14, wie mit der Pol-darstellung gezeigt wird. Die vorwiegende Einfallrichtungliegt nahe an 45°. Der Einfallwinkel nimmt nach rechtshin Stück für Stück ab (höhere Tunnelkilometer) und liegtin der Spanne von ungefähr 30° bis 45°. Der beschriebeneUnterschied der gemessenen Anteile an Vorverschiebun-gen kann demnach der sich ändernden Größe der Aniso-tropie zugeschrieben werden, in Bereichen unterschied -licher Farben. Außerdem gibt es mit abnehmendem Ein-fallwinkel fast keine Veränderung des Anteils an Vorver-schiebungen, weder für berechnete noch für gemesseneVerschiebungen, zumindest für niedrigere Größenordnun-gen der Gebirgsanisotropie (die gemessenen Vorverschie-bungsanteile sind ähnlich für die Bereiche 4 und 6 inBild 14, trotz des Unterschieds im Einfallwinkel). In denBereichen 3 und 5 ergeben sich innerhalb ähnlicher Ori-

Fig. 16. Left: Rock sample from Šentvid tunnel with pyrite crystals. Right: SEM scan of shotcrete samples from the explora-tion gallery [17]Bild 16. Links: Felsprobe aus dem Sentvid-Tunnel mit Pyritkristallen. Rechts: Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme einerSpritzbetonprobe aus dem Erkundungsstollen [17]



ference could be affected by other nearby lithologicalunits.

During regular visits to the exploration gallery withthe purpose to perform to described displacement moni-toring, the appearance of shotcrete lining attracted our at-tention. Its colour was yellowish, the in-situ measuredstrength by sclerometer showed values significantly belowthe original values after construction. Some samples of theshotcrete from the exploration gallery were taken to thelaboratory where the presence of etringite was proven(Figure 16, right). The deterioration of shotcrete was evi-dent after less than two years. The reason for the sulphateattack was found to be the presence of pyrite crystals inthe rock mass (Figure 16, left). This finding came earlyenough to change the design and assure the proper dura-bility of the main tunnel.

7 Conclusion

The Šentvid tunnel was constructed in soft Perm Car-boniferous foliated rocks which appear in blocks boundedby low-angle thrust zones and high-angle faults. The tun-nel design was not a routine one. The traffic demands re-quested to connect two traffic routes in large undergroundmerging caverns with a maximal cross-sectional area of360 m2. In order to define the optimal location for bothcaverns and to optimize the design of the tunnel, a smalldiameter exploration gallery was constructed within thecross section of the future motorway tunnel. Once theconstruction of the motorway tunnel begun, the explo-ration gallery made it possible to access the rock massahead of the tunnel excavation face. Targets for geodeticmeasurement of the displacements of the shotcrete liningin the exploration gallery were installed and measure-ments were taken regularly each hour for nearly eightmonths. These measurements improved the knowledge ofthe rock mass behaviour ahead of the tunnel excavationface. Equally important, the exploration gallery enabledthe discovery of sulphate attack within the shotcrete lin-ing.

With respect to the displacement measurements inthe exploratory gallery ahead of the tunnel face we canmake the following comments:– Geodetic point No. 4 (invert without shotcrete support)

experienced movements due to tunnel excavation about2 tunnel diameters away.

– Further three geodetic points (crown and two sidewalpoints) experienced the first movements when the ap-proaching tunnel face was about 1 tunnel diameteraway.

– Intensive movements of all points were recorded whenthe tunnel face was 1/2 tunnel diameter away from mea-suring section.

– The direction of displacement vector ahead of the tun-nel and within the main tunnel is influenced by dip andstrike of the foliation. When the displacements of an individual points are small (far away from the tunnelface), the displacement vector tends to follow the folia-tion plane (sliding along foliation dominates). For mea-suring points close to the tunnel face, displacements be-came larger and the direction of movements changesand is dominated by bending of the foliation layers, thus

entierungen der Anisotropieebenen ziemlich ähnliche An-teile (in Bereich 3 wurde eine größere Streuung der Ein-fallwinkel angetroffen, geringere Vorverschiebungsanteilewerden mit niedrigeren Einfallwinkeln in Verbindung ge-bracht, wie im Geologischen Layout in Bild 14 zu sehenist). Einfallwinkel von um die 30° in Bereich 7 resultiertenin niedrigeren Anteilen der Vorverschiebung, was in guterÜbereinstimmung mit den Unterschieden der berechnetenWerte für Einfallwinkel von 30° und 45° in Bild 15 steht.

Nichtsdestotrotz liegen die gemessenen Anteile derVorverschiebungen am Sentvid-Tunnel nicht einmal in derNähe der berechneten Werte, da die gemessenen Anteilenicht die Verschiebungen berücksichtigen, die zwischender letzten Messung im Erkundungsstollen vor dem Aus-bruch und der ersten Messung im der dann neu installier-ten Messabschnitt im Haupttunnel auftreten. Die Ver-schiebungsraten sind in dieser Phase am größten, wegendes ungestützten Fels unmittelbar nach dem Ausbruchund der geringen Steifigkeit der eingebauten Stützung, be-vor der Spritzbeton erhärtet und bevor die Felsnägel ein-gebracht werden. Darüber hinaus stimmen die beiden be-obachteten Punkte nicht exakt überein.

Auf Grundlage der Verschiebungstangente in der Nä-he des Ortsbrust (einige Tage vor und nach dem Ausbruchdes betrachteten Querschnittes) und des Zeitraums zwi-schen dem Ausbruch und der ersten Messung konnte dieGröße dieser Verschiebungen in einer Größenordnungvon 10 % bis 25 % der Gesamtverformungen erwartet wer-den, abhängig von der Qualität des Fels. Beim Ausbruchdes oberen Teils in weichen Abschnitten wurde die Kalot-te in mehrere kleinere Bereiche weniger Quadratmeter un-terteilt (Taschenausbruch) wegen des hohen Risikos einesOrtsbrusteinbruchs. Jeder einzelne ausgebrochene Teilder Ortsbrust wurde unmittelbar mit Spritzbeton, Mattenund Felsnägeln gesichert, während nur eine geringe Men-ge des Spritzbetons auf die ungestützten Tunnelwändeaufgebracht wurde. Erst als der Ausbruch einer Abschlags-länge fertiggestellt war wurde die Primärauskleidung auchauf die Tunnelwände aufgebracht. Es bedurfte mehrererStunden, um einen solchen stückweisen Ausbruch fertig-zustellen. In der Zwischenzeit traten erhebliche Konver-genzen der ungesicherten Bereiche auf und nur ein kleinerTeil der Verschiebungskurve konnte mit den installiertenMesspunkten gemessen werden. In steiferem Fels erfor-derten der Ausbruch und die Ausbauinstallation wenigerZeit und die erste Messung des Messpunktes erfolgte sobereits kurze Zeit nach dem Ausbruch.

Der Unterschied des Anteils an gemessenen Vorver-schiebungen in verschiedenen Felsbedingungen könnteauch ein Ergebnis des im Vergleich zu dem Haupttunnelkleinen Durchmessers des Erkundungsstollens und dieGröße der geologischen Struktur (die Abfolge weichenund steifen Fels wechselt etwa alle 10 bis 15 m, wie inBild 14 zu sehen ist). Der Erkundungsstollen ist ausrei-chend klein, um in etwa gleichartigem Fels angeordnet zuwerden, wodurch die Antwort nur von den lokalen Bedin-gungen abhängt. Auf der anderen Seite ist der äquivalenteDurchmesser des Hauptstraßentunnels von einer ähn -lichen Größe wie die Einheiten der Gebirgsstruktur unddie Verschiebungen der Umgebung des Haupttunnelskönnten von weiteren in der Nähe liegenden lithologi-schen Einheiten beeinflusst werden.



pointing in the direction nearly perpendicular to folia-tion.

– The displacement measured ahead of tunnel face consti-tuted between 15 % and 45 % of the sum of displace-ments ahead of and behind the tunnel face. The lowerpercentage was obtained in measuring sections in stifferrock mass. In softer rock mass, up to 45 % of total mea-sured displacement occurred ahead of the tunnel face.

– By numerical 3D analyses using anisotropic jointedrock material model of the Plaxis 3D Tunnel programmeit was shown that tunnelling with dip causes larger de-formations ahead of the tunnel face. Moreover, in thiscase the portion of pre-displacements depends signifi-cantly on the magnitude of anisotropy (ratios E1 : E2and E1 : G2).

References

[1] Elea iC: AC Šentvid – Koseze, Tunnel Šentvid, Geotechni-cal Report, Connecting Caverns. February 2005.

[2] Žigon, A., Žibert, M.: Tunnel Šentvid – Less is More. Trans-port Research Arena Europe, 2008.

[3] Schubert, P., Žigon, A., Žibert, M., Graf, F.: Šentvid Kavernen:Lessons learned. Geomechanics Colloquium. Salzburg, 2007.

[4] Fifer Bizjak, K., Petkovšek, B., Petrica, R.: Geological andgeotechnical investigations for tunnel Šentvid. Gradbeni vest-nik 52 (2003), No. 1, pp. 15–21. (in Slovene)

[5] Cadež, F., Genser, W., Kleberger, J., Poeschl, I.: Šentvid mo-torway tunnel – Interim results from Slovenia’s most recentexploration gallery. Proceedings of the 7th international sym-posium on tunnel construction and underground structures,pp. 50–56. Ljubljana, 2004.

[6] Poeschl, I., Genser, W., Kleberger, J.: Development of high-value geological model for cavern design in faulted rock mass.Felsbau 24 (2006), No. 5, pp. 28–32.

[7] Lunardi, P.: The dynamics of tunnel advance. In: Designand construction of tunnels: Analysis of controlled deforma-tions in rock and soils (ADECO-RS), pp. 3–13. Berlin:Springer, 2008.

[8] Hoek, E.: Practical rock engineering (2007 ed.). Chapter 12:Tunnels in weak rock, 204-221. http://www.rocscience.com/hoek/pdf/12_Tunnels_in_weak_rock.pdf.

[9] Volkmann, G., Schubert, W.: The use of horizontal incli-nometers for the optimization of the rock mass – support in-teraction. In: Underground space use: Analysis of the pastand lessons for the future. World Tunneling Congress 2005,pp. 967–972. Istanbul, 2005.

[10] Štimulak, A., Ajdic, I.: Damage Risk Assessment and Geo-logical-Geotechnical Monitoring of the MW Tunnel in theArea of Trojane Village. Proceedings of the 6th InternationalSymposium on Tunnel Construction and Underground Struc-tures, pp. 81–94. Ljubljana, 2002. (in Slovene)

[11] Klopcic, J.: Analysis and prediction of displacements fortunnels in foliated rock mass of Perm-carboniferous age. PhDthesis, University of Ljubljana, 2009. http://drugg.fgg.uni-lj.si/3226/

[12] Klopcic, J., Ambrožic, T., Marjetic, A., Bogatin, S., Pulko,B., Logar, J.: Use of Automatic Target Recognition System forthe Displacement Measurements in a Small Diameter TunnelAhead of the Face of the Motorway Tunnel During Ex-cavation. Sensors (2008), No. 8, 8139–8155. http://www. mdpi.com/1424-8220/8/12/8139.

[13] Marjetic, A., Ambrožic, T., Bogatin, S., Klopcic, J., Logar, J.,Štimulak, A., Majes, B.: Geodetic measurements in Šentvidtunnel. Geodetski vestnik (2006), No. 1, pp. 11–24. (inSlovene).

Während regelmäßiger Besichtigungen des Erkun-dungsstollens mit dem Zweck, das beschriebene Verschie-bungsmonitoring durchzuführen, erregte das Erscheinungs-bild der Spritzbetonauskleidung unsere Aufmerksamkeit.Die Farbe war gelblich, die in-situ mit einem Sklerometergemessene Festigkeit zeigte Werte weit unterhalb der Aus-gangswerte nach der Herstellung. Einige Proben des Spritz-betons von dem Erkundungsstollen wurden mit ins Laborgenommen, wo das Vorhandensein von Etringit nachgewie-sen werden konnte (Bild 16, rechts). Der Zerfall des Spritz-betons war bereits nach weniger als zwei Jahren offensicht-lich. Die Ursache für den Sulfatangriff wurde im Vorhan-densein von Pyritkristallen im Fels gefunden (Bild 16,links). Diese Entdeckung kam rechtzeitig genug, um dasDesign entsprechend anzupassen und eine vernünftigeDauerhaftigkeit des Haupttunnels zu gewährleisten.

7 Zusammenfassung

Der Sentvid-Tunnel wurde in weichem, geschiefertem Felsaus dem Perm und Karbon erstellt, welcher in Abschnittenmit flachen und steilen Störungen angetroffen wurde. DasDesign des Tunnels war keine Routineaufgabe. Die Ver-kehrsprognose machte erforderlich, zwei Verkehrswege inunterirdischen Verbindungskavernen mit Querschnittenvon bis zu 360 m² miteinander zu verbinden. Um die opti-malen Standorte der beiden Kavernen zu bestimmen unddas Design des Tunnels zu optimieren wurde innerhalbdes Querschnitts des späteren Straßentunnels ein Erkun-dungsstollen mit kleinerem Durchmesser erstellt. Nach-dem der Ausbruch des Straßentunnels begonnen hattewar es durch den Erkundungsstollen möglich, den vor derOrtsbrust liegenden Fels zu betreten. Ziele für geodätischeMessungen der Verschiebungen der Spritzbetonsicherungin dem Erkundungsstollen wurden installiert und über ei-nen Zeitraum von acht Monaten regelmäßige, stündlicheMessungen durchgeführt. Diese Messungen verbessertenden Kenntnisstand über das Gebirgsverhalten vor derOrtsbrust des Tunnels. Ebenso wichtig war, dass der Er-kundungsstollen ermöglicht hat, einen Sulfatangriff derSpritzbetonschale zu entdecken.

In Bezug auf die Verschiebungsmessungen in dem Er-kundungsstollen vor der Ortsbrust des Tunnels könnenfolgende Aussagen gemacht werden:– Der geodätische Messpunkt Nr. 4 (Sohle ohne Spritz -

betonsicherung) hat durch den Ausbruch des Tunnelsab einer Entfernung von etwa dem zweifachen Tunnel-durchmesser Bewegungen erfahren.

– Die drei weiteren Messpunkte (Firste und Seitenwände)haben die ersten Bewegungen durch die sich näherndeOrtsbrust ab einer Entfernung von einem Tunneldurch-messer erfahren.

– Starke Bewegungen aller Messpunkte waren ab einerEntfernung der Ortsbrust von etwa einem halben Tun-neldurchmesser zu erfassen.

– Die Richtung der Verschiebungsvektoren vor dem Tun-nel und innerhalb des Haupttunnels wird von der Fall-und Streichrichtung der Schieferung beeinflusst. Wenndie Verschiebungen eines Punktes klein sind (in großerEntfernung von der Ortsbrust), dann neigt der Verschie-bungsvektor dazu, der Schieferungsebene zu folgen(Gleiten entlang der Schieferung dominiert). Für Mess-



[14] Klopcic, J., Logar, J., Ambrožic, T., Štimulak, A., Marjetic,A., Bogatin, S., Majes, B.: Displacements in the exploratorytunnel ahead of the excavation face of Šentvid tunnel. ActaGeotech. Slov. (2006), No. 2, 16–33.

[15] Tonon, F., Amadei, B.: Effect of Elastic Anisotropy on Tun-nel Wall Displacements Behind a Tunnel Face. Rock Mech.Rock Engng. (2002), No. 3, pp. 141–160.

[16] Jemec, P.: Influence of the exploratory tunnel on the con-struction of the Šentvid motorway tunnel. BSc thesis, Univer-sity of Ljubljana, Faculty of Civil and Geodetic Engineering,2006. (in Slovene)

[17] Petkovšek, A., Mladenovic, A., Klopcic, J., Logar, J., Majes,B.: Geological warning on recorded cases of large content ofpyrite in the rock mass and consequently the sulphate corro-sion of the shotcrete in the exploration gallery of the Šentvidtunnel. Report KMTal 278-1-05, Ljubljana, Slovenia, Universi-ty of Ljubljana, Faculty of Civil and Geodetic Engineering,2005. (in Slovene)

Acknowledgment

The authors wish to thank the Slovenian motorwayagency DARS for the opportunity to conduct the experi-mental work in the exploratory gallery during the excava-tion of the Šentvid motorway tunnel and for their finan-cial support of this research work.

Dr. Jure Klopcic, univ.dipl.ing.University of LjubljanaFaculty of Civil and Geodetic EngineeringJamova cesta 2Ljubljana, [email protected]

Tina Živec, univ.dipl.ing.ELEA iCDunajska cesta 21Ljubljana, [email protected]

Marko Žibert, univ.dipl.ing.ELEA iCDunajska cesta 21Ljubljana, [email protected]

punkte nahe der Ortsbrust wurden die Verschiebungengrößer und die Richtung der Bewegungen änderte sichund wurde von der Biegung der Schieferung dominiert,also in eine Richtung senkrecht zur Schieferung.

– Die gemessene Verschiebung vor der Ortsbrust lag zwi-schen 15 % und 45 % der Gesamtverschiebungen vorund hinter der Ortsbrust. Der niedrigere Wert wurde fürdie Messabschnitte in steiferem Fels ermittelt. In wei-cherem Fels traten bis zu 45 % der Gesamtverschiebun-gen bereits vor der Ortsbrust auf.

– Mit dreidimensionalen numerischen Berechnungen un-ter der Verwendung des Jointed Rock Material Modellsvon Plaxis 3D Tunnel konnte gezeigt werden, dass einAusbruch mit dem Einfallen größere Verformungen vorder Ortsbrust verursacht. Außerdem hängt in diesemFall der Anteil der Vorverschiebungen maßgeblich vonder Größe der Anisotropie ab (Verhältnisse E1 : E2 undE1 : G2).

Danksagung

Die Autoren möchten sich bei der Slowenischen Straßen-baubehörde DARS für die Gelegenheit bedanken, die experimentellen Arbeiten in dem Erkundungsstollen desSentvid-Straßentunnels durchführen zu können und fürderen finanzielle Unterstützung für diese Forschungs -arbeiten.

Assoc.Prof.Dr. Tomaž Ambrožic, univ.dipl.ing.University of LjubljanaFaculty of Civil and Geodetic EngineeringJamova cesta 2Ljubljana, [email protected]

Assoc.Prof.Dr. Janko Logar, univ.dipl.ing.University of LjubljanaFaculty of Civil and Geodetic EngineeringJamova cesta 2Ljubljana, [email protected]


Topics

DOI: 10.1002/geot.201300001

The 5.65 km long Thirra motorway tunnel experienced majorproblems during the summer of 2009 in a central 1,000 m longsection through a fault zone with 500 m overburden. The tunnelshowed large convergence, settlement and invert heave. In earlyNovember 2009, a 60 m long section of the south tube collapsed.A team of tunnel consultants including Dr. Sauer and iC were en-gaged to analyze the situation and make suggestions for a modi-fied design. This resulted in a completely new concept for re-pro-filing, re-mining the collapse and inner lining. The basic principlesfollowed were optimization of the shape to near-circular, veryshort ring closure and stiff lining. This concept was implementedby the contracting JV at record speed and worked perfectly. Thedisplacements of the primary lining were very small and the loadswithin limits.

1 Project overview

The 5,650 m long Thirra Tunnel is the key element of anew 61 km long motorway section between Rreshen andKalimash in Albania. This section is part of a major mo-torway development between the Albanian Adriatic har-bor city of Durres and Priština, the capital of Kosovo. Be-fore the tunnel existed, a long and dangerous mountainroad had to be used, which took several hours and wassometimes impassable in winter. Therefore the Thirra tun-nel has strategic importance as an all-weather connectionbetween central Albania and Kosovo. Driving time couldbe reduced from about ten to two hours.

The Client for this project is the General Road Direc-torate (GRD) of the Albanian Transport Ministry. Bechtel-Enka JV was responsible for the construction of the wholemotorway section, Egis tunnel for the design and IGH wasthe engineer.

2 Geological environment

The geology of the project area belongs to the Mirita-Pin-dos ophiolites of Jurassic age. The western section of thetunnel is dominated by gabbro, the eastern section bydunite. Between these zones, pyroxenites appear. Therock mass is partly tectonized. Steeply dipping discontinu-ities run parallel and across the tunnel axis. Hydrothermalalteration has created serpentinite and magnesite withsoapy, smooth surfaces along the discontinuities (Fig. 1).The blocks between discontinuities are partly intact rockand partly tectonized, crushed and altered.

Der Thirra Autobahntunnel befand sich im Sommer 2009 im zen-tralen Teil mit 500 m Überlagerung in einem sehr kritischen Zu-stand. Über eine Länge von ca. 1.000 m waren in einer Störungs-zone große Konvergenzen, Setzungen und Sohlhebungen aufge-treten. Anfang November 2009 verbrach ein 60 m langer Ab-schnitt der Südröhre. Ein Beraterteam von Dr. Sauer und iC wurdeengagiert, analysierte die Ereignisse und entwickelte ein Konzeptzur Nachprofilierung, Aufarbeitung des Verbruchs und für die In-nenschale des betroffenen Abschnitts. Das Konzept beruhte aufQuerschnittsoptimierung, extrem kurzem Ringschluss und steiferSchale. Dieses Konzept wurde von der ausführenden ARGE in Re-kordbauzeit umgesetzt und bereitete keinerlei Probleme. Die Ver-schiebungen in der Schale waren sehr gering, die Beanspru-chungen im zulässigen Rahmen.

1 Projektüberblick

Der 5.650 m lange zweiröhrige Thirra Tunnel ist der zen-trale Teil eines 61 km langen neuen Autobahnabschnittszwischen Rreshen und Kalimash. Dieser Abschnitt wieder-um gehört zu einem übergeordneten Entwicklungsplanfür eine Autobahn zwischen der albanischen HafenstadtDurres und der kosovarischen Hauptstadt Priština. Vorder Herstellung des Tunnels musste dieser Gebirgsab-schnitt über eine lange und gefährliche Passstrecke über-wunden werden, wofür mehrere Stunden Fahrzeit erfor-derlich waren. Im Winter war diese Strecke teilweise unpassierbar. Der Thirra Tunnel hat somit eine überregio-nale Bedeutung als wettersichere Verbindung von Zentral-albanien und Nordostalbanien und dem Kosovo. DieFahrzeit von der albanischen Küste bis zur Grenze zumKosovo konnte durch den Tunnel von ca. 10 auf 2 Stun-den reduziert werden.

Der Bauherr für dieses Projekt ist das General RoadDirectorate (GRD) des albanischen Transportministeri-ums. Der Bau wurde von der Arbeitsgemeinschaft Bechtel-Enka durchgeführt. Die Planung des Tunnels erfolgtedurch die französische Egis Tunnels im Auftrag des Bau-herrn, die Bauaufsicht durch die kroatische Firma IGH.

2 Geologisches Umfeld

Im Projektgebiet werden geologische Einheiten des Mirdi-ta-Pindos Ophioliths aus dem Jura angetroffen. Im West-abschnitt des Tunnels herrschen Gabbros vor, im Ostab-schnitt Dunite. Am Übergang von Gabbro zu Dunit sind

Thirra Tunnel, Albania – with a straight concept to success

Thirra Tunnel Albanien – mit einem klaren Konzeptzum Erfolg

Peter Schubert


P. Schubert · Thirra Tunnel, Albania – with a straight concept to success

Geological investigation for the tunnel was limited tosurface mapping and core boring near the portal areas.

3 History

The original design was based on a horse-shoe profile withstraight walls (Fig. 2). Five rock support categories weredesigned with excavation cross-sections between 78 and86 m². Category I had shotcrete sealing of 5 cm thicknessand 4 m long SN rock bolts in a 2.5 m × 2.5 m pattern.Category V – for the most unfavorable design conditions –had HEB 180 steel profiles with elephant feet (see Fig. 2)with 1 m spacing between sets. Steel fiber reinforced shot-crete with nominal thickness of 18 cm was sprayed be-tween the steel sets. If necessary, a gently curved invertwas planned.

For the first 2,500 m of excavation from the south, noparticular difficulties were encountered. In the central1,000 m long section, however, the faulted rock mass ledto great difficulties maintaining the profile and beddingthe steel profiles, leading to settlement and convergence.The steel profiles buckled systematically in the benchwalls (Fig. 3).

Support measures ahead of the tunnel face were notprovided in the design. Presumably it was thus not possi-ble to create a good excavation profile during excavationand tight contact between support and rock. As a conse-quence, the rock mass progressively loosened and addi-tional gravity loading developed.

In spite of the problems with large convergence,cracks, spalling of sprayed concrete, buckling of benchwalls and invert heave (Fig. 4), both tunnel tubes were bro-ken through in spring 2009. While convergence continuedin the central section, the inner lining was built from bothtunnel portals. In the central section, additional rock bolt-ing was installed in several campaigns without achievingstabilization of the displacements. On the contrary, thespeed of convergence increased during the rock bolting

Pyroxenite aufgeschlossen. Die Gesteine sind teilweisetektonisch stark beansprucht. Steil stehende Trennflächenverlaufen parallel und quer zur Tunnelachse. Hydrother-male Alteration mit der Neubildung von Serpentin undMagnesit entlang von Diskontinuitäten ist charakteris-tisch und beeinflusst die felsmechanischen Eigenschaftennegativ (Bild 1). Die Blöcke zwischen den Trennflächensind teilweise intakt, teilweise tektonisch stark bean-sprucht und alteriert.

Die geologische Erkundung vor Bau der Tunnelröh-ren war begrenzt auf eine Oberflächenkartierung entlangder Tunneltrasse sowie auf Bohrungen in den Portalbe -reichen.

3 Vorgeschichte

Die ursprüngliche Planung sah für den Tunnel ein Huf -eisenprofil mit geraden Ulmen vor. Es wurden fünf Vor-triebsklassen konzipiert mit einem Ausbruchsquerschnittzwischen 78 und 86 m². Die Klasse I für die günstigstenVerhältnisse hatte eine Spritzbetonversiegelung von 5 cmund 4 m lange SN-Anker in einem Raster von 2,5 m× 2,5 m. Die Klasse V für die ungünstigsten Verhältnissehatte einen Ausbau aus HEB 180 Stahlprofilen mit Elefan-tenfüßen (Bild 2), Bogenabstand von 1 m, Spritzbetonaus-

Fig. 1. Steep discontinuities with soapy serpentinized sur -faces (red)Bild 1. Steilstehende Trennflächen mit seifigen Serpentinit-belägen (rot)

Fig. 2. Shape and steel support of design Cat. V (poor rockmass)Bild 2. Profil und Ausbau für Vortriebsklasse V (schlechtesGebirge)



works. It is most likely that all the additional water intro-duced by flushing had further reduced the friction in therock mass with serpentine. Due to the inefficiency of thesestabilization attempts, the engineer decided to re-profileseveral “test sections” using only sprayed concrete, meshand rock bolts. Because of lack of support ahead of theface, this generally resulted in considerable overbreak andvery poor shape of the tunnel. Protruding edges sooncaused cracking in the shotcrete and bent anchor plateswere signs of high bolt stress. Core drillings into the wallsshowed that the rock mass was crushed to a depth of 6 mfrom the wall.

During summer 2009, public traffic was allowedthrough the tunnel during the day while repair works wereperformed at night. When there was no end to the prob-lems in September 2009, the Client decided to seek exter-nal advice and contracted Dr. Sauer and iC to review thesituation, and they eventually proposed an alternative de-sign.

4 Developments during November 2009

During the first site visit by the external tunnel consultantson November 5th 2009, a 60 m long section of the southtube collapsed completely (Fig. 5). This occurred in one ofthe “test sections”, one of the already re-profiled sectionswithout steel beams. There were no injuries to staff ordamage to equipment because of the alertness of the shiftengineers who felt things were going severely wrong andhad the area evacuated. During the dramatic hours afterthe collapse, main concern was the stability of the northtube, which is only separated by a 15 m wide pillar. Addi-tional shear failures and cracks were actually seen imme-diately opposite the collapse zone. In case of a collapse ofthe north tube, any remedial works would have been ex-tremely difficult due to the lack of access between northand south.

After further developments in both tubes had beenobserved for several hours, comprehensive stabilizationmeasures were decided at an emergency meeting inTirana. These measures included:

fachung in 18 cm Stärke, eine Lage Baustahlgitter und op-tional eine leicht gekrümmte Sohle.

Auf den ersten 2.500 m Vortrieb von Süden wurdenkeine außergewöhnlichen Schwierigkeiten angetroffen.Im zentralen, etwa 1.000 m langen, Teil des Tunnels mitbis zu 500 m Überlagerung jedoch führte gestörtes undteilweise zu Serpentinit umgewandeltes Gebirge zuSchwierigkeiten bei der Profilhaltigkeit, Bettung der Stahl-bögen und in der Folge Setzungen und Konvergenzen.Häufig wurde ein Ausknicken der Stahlbögen in den Ul-men beobachtet (Bild 3).

Vorauseilende Sicherungsmittel wie Spieße waren inder Planung nicht vorgesehen. Vermutlich war es dadurchbei den vorherrschenden Gebirgsverhältnissen teilweisenicht möglich, ein korrektes Profil und einen satten Kon-takt zwischen Spritzbeton und Gebirge herzustellen. DieKonsequenz sind progressive Auflockerungen, Verlust desGebirgsverbands und Entwicklung von nachdrängendenLasten.

Trotz der Probleme mit starken Konvergenzen, Rissenund Abplatzungen im Ausbau (Bild 4), Einknicken der Ulme und Sohlhebungen wurden beide Röhren im erstenHalbjahr 2009 durchgeschlagen. Während im Zentralab-schnitt die Konvergenzen weiter gingen, wurde von denbeiden Portalen die Innenschale bis zum Problembereichherangeführt. Im Zentralabschnitt wurde in mehrerenSchritten mit immer längeren SN-Ankern in großen Men-gen nachgeankert (ursprünglich wurden keine Anker ein-gebaut), ohne dass eine nachhaltige Stabilisierung erreichtwerden konnte. Im Gegenteil: Während der Ankerarbeitenbeschleunigten sich die Konvergenzen erheblich. Wahr-scheinlich wurde unter anderem durch die große Mengean Spülwasser die Reibung des Serpentinits weiter redu-ziert. Entmutigt durch die Ineffizienz der bisherigen Stabi-lisierungsmaßnahmen entschied die Örtliche Bauaufsicht,mehrere „Teststrecken“ nachzuprofilieren, wobei nurSpritzbeton und SN-Anker verwendet wurden. Auf einevorauseilende Sicherung wurde auch hier verzichtet (kei-ne Bögen), wodurch das dadurch resultierende Aus-bruchsprofil wegen mangelnder Voraussicherung teilweisesehr starkes Überprofil und eine ungünstige Form aufwies.

Fig. 3. Buckling of side walls of the horse-shoe-shaped tunnelBild 3. Ausknicken der Ulme bei Hufeisenprofil

Fig. 4. Shear failure in the top heading in the north tube Bild 4. Scherbrüche in der Kalotte in der Nordröhre



– Strong shotcrete ribs – mainly in the “test sections”(Fig. 6),

– Backfilling of the bench in sections with buckled sup-port,

– Closed egg-shaped shotcrete rings above the backfill inthe north tube (Fig. 7).

The Contractor started work on these measures immedi-ately, and all the measures proved very effective. Within afew days, the general situation could be much improved.By December 4th, 980 m of bench had been back-filled,340 m of tunnel reinforced with shotcrete ribs and 250 mof egg-shaped shell installed. Convergence stopped almosteverywhere and safe working conditions were ensured.

5 Redesign

The external tunnel consultants had only 2 1/2 weeks to analyze the situation and the geotechnical boundary con-ditions, study alternatives, estimate costs and propose apreferred way-forward design. Since there were had al-ready been so many different trials, the data basis was ex-

Hervorspringende Kanten verursachten auch hier baldRisse im Spritzbeton und Anzeichen von stark bean-spruchten Ankern. Durch Kernbohrungen wurde gezeigt,dass der Fels bis zu 6 m tief stark aufgelockert war.

Im Sommer 2009 wurde unter dem Druck der Politiktagsüber der Urlauberverkehr durch den im Bauzustand be-findlichen Tunnel geführt, in der Nacht wurden regelmäßigzusätzliche Stabilisierungsmaßnahmen durchgeführt.

Da auch im September 2009 kein Ende der Problemeabsehbar war, wurde schließlich in einer Anfrage an meh-rere Unternehmen ein externer Berater gesucht und imTeam Dr. Sauer/iC gefunden.

4 Entwicklung November 2009

Beim ersten Baustellenbesuch am 5. November 2009 kames etwa eine Stunde nach einer Befahrung des Berater-teams zu einem ca. 60 m langen Totalverbruch der Südröh-re (Bild 5). Dieser fand innerhalb einer der so genanntenTeststrecken statt, d.h. nachprofilierter Abschnitt ohne Bö-gen. Personen und Gerät kamen aufgrund der Aufmerk-samkeit der Schichtingenieure nicht zu Schaden. In diesendramatischen Stunden war die größte Sorge, dass auch dieNordröhre, die nur durch einen ca. 15 m breiten Felspfeilergetrennt war, verbrechen würde. Tatsächlich waren in die-ser Zone auch in der Nordröhre eine Zunahme der Scher-brüche und Risse in der Schale zu beobachten.

Im Fall eines Verbruchs der Nordröhre wären sämtli-che direkten Verbindungen zwischen Nord- und Südpor-tal wieder unterbrochen gewesen und eine Sanierung ex-trem erschwert.

Nach einigen Stunden der Beobachtung wurden in ei-ner Krisensitzung umfangreiche Stabilisierungsmaßnah-men festgelegt. Diese umfassten: – Kräftige Spritzbetonrippen, vor allem in den so genann-

ten Teststrecken (Bild 6), – Auffüllungen der Strosse bis auf einen minimalen Kalot-

tenquerschnitt zur Stabilisierung der Ulme, wo diese ein-geknickt waren,

– Abschnittsweise Verstärkung des verbleibenden Kalot-tenquerschnitts in der Nordröhre mit einem geschlosse-nen Spritzbetonring (Bild 7).

Fig. 5. Collapse of the south tube on November 5th, 2009Bild 5. Verbruch auf 60 m Länge in der Südröhre am 5. November 2009

Fig. 6. Shotcrete ribs for initial stabilization of tunnelBild 6. Spritzbetonrippen zur Stabilisierung des Tunnels

Fig. 7. North tube, bench filled with muck and headingstrengthened by shotcrete shellBild 7. Nordröhre gegenüber Verbruch, Strosse aufgefülltund Kalotte verstärkt



tremely unclear. The existing monitoring data were notuseful because they were too inconsistent. The basic pro-posal was presented on November 23rd. The task was tore-profile two 1,000 m tunnel tubes, to re-mine the 60 mlong collapse zone and to design the inner lining. The ideaof by-passing the collapse zone was discarded quickly be-cause it would be much easier to reconstruct the collapsedzone on the original alignment.

The design team agreed early in the process that astiff primary lining would be the preferred solution despitethe high overburden (500 m) and the convergence thathad already occurred. It was assumed that the rock masswas mostly already loosened and further displacementwould not reduce the loading.

Under this concept, the shape of the tunnel was opti-mized to near-circular (Fig. 8). In order to achieve this, thelateral drainage pipe was replaced by a corrugated mem-brane, knowing that there is very little water ingress in thissection. The design team proposed a 35 cm thick primarylining with lattice girders and forepoling for pre-support. Itwas also specified that invert ring closure must take placewithin maximum 10 m after re-profiling the top heading(Fig. 9). Bench and invert should be excavated and the lin-ing installed in one step, thus avoiding further construc-tion joints.

The goal was to re-profile with minimum overbreakand thus to avoid further loosening. The favorable shapeshould prevent further buckling of the bench walls. Anyfurther rock bolting was discarded in order not to intro-duce more water into the rock mass. The existing rockbolts were however integrated into the primary lining.

For the collapse zone, the same basic principles ap-plied but in addition to these measures a double pipe roofwas installed, supplemented by various void filling andgrouting measures. Investigation drill holes from the northtube gave a rough idea of the collapse contours. The col-

Es wurde sofort begonnen, diese Maßnahmen umzuset-zen. Alle diese Maßnahmen erwiesen sich als äußerst effi-zient. Damit konnte innerhalb weniger Tage eine Beruhi-gung der Situation und deutliche Verbesserung der Stand-sicherheit erreicht werden. Bis 4. Dezember 2009 wurden980 m Strosse aufgefüllt, über 340 Laufmeter TunnelSpritzbetonrippen eingebaut, und über 250 Laufmeter derrestliche Querschnitt der Kalotte mit einer eiförmigenSchale versehen. Die Konvergenzen konnten so weitge-hend gestoppt werden und die Sicherheit war augen-scheinlich wieder gewährleistet.

5 Umplanung

Für die Analyse der geotechnischen Randbedingungen,Studium von Varianten, Vorschlag eines alternativen Tun-

Fig. 8. New cross section, shape of primary lining optimizedBild 8. Neuer Regelquerschnitt, Form der Außenschale optimiert

Fig. 9. Longitudinal section of re-shaping works with max.10 m advance of heading before ring closureBild 9. Längsentwicklung der Nachprofilierung mit max.10 m Vorlauf der Kalotte, dann Ringschluss



lapsed material mainly consisted of blocks with varioussizes up to 5 m.

6 Reconstruction of primary lining

The Albanian Government put enormous pressure on theContractor to complete one tunnel tube before the 2010travel season. On December 10th 2009, the first steps withthe new re-mining concept were started. The Contractor’steam was not very familiar with the use of lattice girdersand forepoling and was therefore a bit skeptical. In the be-ginning the external tunnel consultants seconded two en-gineers and one superintendent to the site to assist the ad-equate implementation of the design. Fortunately the wetsprayed concrete system worked very well on site. This en-abled a swift build-up of the primary lining and filling ofoverbreak where necessary.

The overall concept of the Contractor was to use thenorth tube as a transport and supply line and re-constructand complete the south tube first. With this approach, upto eleven work sites were started to re-mine the south tubeusing considerable resources such as eight drilling jumbosand six shotcrete units. The ring closure was strictly fol-lowed within 10 m behind the re-mining of the crown. Thefirst 3D displacement measurements showed displace-ments less than 2.5 cm, usually some 1.5 cm. In spite ofthis very favorable initial experience, everybody remainedprepared for new problems. However, these did not ap-pear.

The favorable behavior of the stiff and almost circularprimary lining (Fig. 10) ring was observed with astonish-ment and enthusiasm, especially by those who had alreadysuffered for a long period of time from the convergence ofthe tunnel. Concrete stress gages showed a maximumcompressive stress of 10 MPa in the south tube and17 MPa in the north tube. These are relatively high valuesbut within acceptable limits.

With growing confidence, the deformation tolerancewas reduced from the initial 15 cm to 10 cm and later evento 5 cm. The above mentioned displacements were not ex-ceeded at any section and the lining had no cracks.

nelbaukonzepts und Kostenschätzungen wurden dem Be-raterteam nur zweieinhalb Wochen eingeräumt. Weil vor-her so vieles probiert worden war, war die Datenlage sehrunübersichtlich, die Konvergenzmessergebnisse kaum zubrauchen. In einer Besprechung am 23. November 2009wurden die Analyse und der Vorschlag des Beraterteamsfür die weitere Vorgangsweise vorgestellt. Die Aufgaben-stellung beinhaltete ein Überfirstungskonzept für 2 × ca.1.000 m Tunnelröhre, ein Auffahrkonzept für den 60 mlangen Verbruch und ein Konzept für die Innenschale.Seitens des Bauherrn wurde auch angeregt, eine Umfah-rung des Verbruchbereichs zu studieren, was jedoch wenigsinnvoll erschien, weil angenommen wurde, dass die Be-wältigung des Verbruchs kein unüberwindliches Hinder-nis sein würde.

Das Planungsteam war sich trotz der hohen Überlage-rung rasch einig, dass hier aufgrund der Vorgeschichteund der geotechnischen Analyse trotz der hohen Über -lagerung eine Außenschale in Form einer steifen, wohl -gerundeten Spritzbetonschale zum Erfolg führen sollte.Das Gebirge war offensichtlich durch die Setzungen undKonvergenzen weitgehend aufgelockert, wodurch das Zulassen weiteren Verschiebungen mit einem nachgiebi-gen Ausbau zu keiner Verringerung von Lasten führenwürde.

So wurde die Form des Tunnels unter Aufgabe der Ulmendränage (längslaufende Noppenfolienstreifen alsErsatz, es gab in dieser Strecke kaum Wasserzutritt) in die Nähe eines Kreisquerschnitts optimiert (Bild 8) und für die Außenschale eine 35 cm starke Spritzbeton-schale mit Gitterbögen (rundum) und Spießen vorgeschla-gen.

Es wurde weiters festgelegt, dass die Überfirstung derKalotte maximal 10 m vorauseilen darf (Bild 9), und danndie Strosse/Sohle nachgezogen werden muss, sodass in-nerhalb sehr kurzer Distanz ein Ringschluss entsteht.Strosse und Sohle wurden in einem Arbeitsschritt ohneweitere Arbeitsfugen vorgesehen.

Das Ziel war, möglichst profilgenau nachzuprofilie-ren und jede weitere Auflockerung zu verhindern. Diegünstige Form sollte auch das Ausknicken der Ulme ver-hindern. Auf weitere Ankerung wurde zur Gänze verzich-tet, um nicht noch mehr Spülwasser in das Gebirge einzu-bringen. Allerdings wurden die vorhandenen Anker beimNachprofilieren freigelegt und in den neuen Spritzbetoneingebunden.

Für den Verbruchabschnitt galt dasselbe Grundprin-zip, ergänzt mit einem über die halbe Schusslänge über-lappenden Rohrschirm und zahlreichenden ergänzendenErkundungs- und Auffüllmaßnahmen. Sondierungsboh-rungen in der Nordröhre ermöglichten eine Vorstellungder Hohlraumränder über dem Verbruchkegel. Der Ver-bruchkegel setzte sich überwiegend aus Blöcken zusam-men, mit einer Kantenlänge von bis zu 5 m.

6 Wiederherstellung der Außenschale

Seitens der albanischen Regierung wurde auf die Arbeits-gemeinschaft sehr großer Druck zur möglichst baldigenFertigstellung des Tunnels ausgeübt. Der Auftraggeber for-derte vehement, dass eine Röhre im Mai 2010, vor demSommerreiseverkehr befahrbar sein müsste.

Fig. 10. Completed primary lining with displacement moni-toring targetsBild 10. Außenschale fertig gestellt mit Reflektoren zur Konvergenzmessung



The collapse zone was re-mined from both sides after the re-profiling of the primary lining had beenbrought close to the section (Fig. 11). During the re-min-ing, investigation holes were drilled some 8 m above thetunnel crown to check for voids, and several hundreds ofcubic meters of concrete were then pumped into re-maining voids. One purpose of this activity was to re-es-tablish an arch function above the tunnel and to makesure that any further caving above the tunnel would not damage the structure. Also the pipes of the canopywere grouted with fine concrete 0–4 mm instead of thecommon cement grout, because the grout disappearedinto the collapse material. For this purpose the holes inthe pipes were enlarged to 25 mm. After some initialdoubt, this procedure proved very convenient and effec-tive.

Am 10. Dezember 2009 wurden die ersten Ringe mitdem neuen Konzept „probiert“. Es muss gesagt werden,dass die Bauleitung und die Mineure mit einigen Kompo-nenten dieser Vorgangsweise nicht vertraut waren (insbe-sondere Verwendung von Gitterbögen und Spießen) undaufgrund der vorgegangenen Erfahrungen mit einiger Sor-ge und Skepsis an die Sache herangingen. Die Bauunter-nehmung wurde anfangs durch zwei österreichische Inge-nieure und einen Polier vor Ort unterstützt. Glücklicher-weise funktionierte der Nassspritzbeton auf dieser Bau-stelle sehr gut, und so konnte die planmäßige Schale unddie Auffüllung von lokalem Mehrausbruch sehr gut be-werkstelligt werden.

Das Konzept der ausführenden Arbeitsgemeinschaftwar, die durchgängige Nordröhre als Transportweg zunutzen, und über die vorhandenen und einen zusätzlichenQuerschlag in Verbruchnähe die Südröhre möglichstrasch wieder herzustellen.

So wurden an bis zu elf unterschiedlichen Orten unter großem Personal- und Geräteeinsatz (z. B. 8 Bohr-jumbos, 6 Nassspritzeinheiten) nachprofiliert und derRingschluss hergestellt. Die ersten 3D-Verschiebungsmes-sungen an der neuen Außenschale zeigten geringe Beträgevon weniger als 2,5 cm, in der Regel um 1,5 cm. Mit Stau-nen und Begeisterung wurde das günstige Verhalten dersteifen und fast kreisförmigen Außenschale beobachtet(Bild 10), besonders von jenen, die vorher über lange Zeitunter den geschilderten Problemen und Gefahren gelittenhatten. Druckmessdosen zeigten in der Südröhre Span-nungsspitzen unter 10 MPa, in der später aufgefahrenenNordröhre bis 17 MPa. Das sind also relativ hohe Werte,aber innerhalb der zulässigen Grenzen. Mit zunehmen-dem Vertrauen in das System wurde das Übermaß von ur-sprünglich 15 auf 10 cm und dann auf 5 cm zurückge-nommen. Die oben angeführten Verschiebungsgrößenwurden nie überschritten, die neue Schale zeigte keineRisse.

Fig. 11. Re-mining of the collapse zone in the south tube from two directions, last steps before breakthroughBild 11. Durchörterung des Verbruchs in der Südröhre von zwei Seiten, letzte Schritte zum Durchschlag

Fig. 12. Water proofing and reinforcement of inner liningBild 12. Abdichtung und Bewehrung der Innenschale



7 Inner lining

The inner lining was designed by the external tunnel con-sultants with a minimum thickness of 60 cm. Because ofthe potential unsymmetrical loading, the lining is rein-forced (Fig. 12). Following the re-profiling activities, thewaterproofing membrane and the invert were installedfrom four locations.

Nachdem die neue Außenschale an die Verbruchzo-ne herangeführt war, wurde von beiden Seiten der Ver-bruch durchörtert (Bild 11). Dabei wurde sukzessive aucheine Zone von etwa 8 m über der Firste und nach vorne inden Verbruchkegel nach Hohlräumen sondiert und mitmehreren 100 m³ Magerbeton verfüllt. Das Ziel war unteranderem, über der Röhre mit einem vergüteten Verbruch-kegel einen neuen Gebirgstragring aufzubauen und damitauch sicher zu stellen, dass weitere mögliche Nachbrücheaus Hohlräumen darüber keinen Schaden an der Röhreverursachen. Auch die Rohre des Rohrschirms wurden an-statt der üblichen Zementsuspension mit Beton 0/4 ver-presst (die Injektionsbohrungen wurden dafür auf 25 mmaufgebohrt), weil die Zementsuspension im hohlraumrei-chen Verbruchkegel nach unten absank. Nach Überwin-den der anfänglichen Skepsis und umfangreichen Erklä-rungen durch das Beraterteam erkannte die Arbeitsge-meinschaft den Komfort dieses einfachen Konzepts undsetzte dieses rigoros um.

7 Innenausbau

Die Innenschale wurde vom Beraterteam mit einer Stärkevon 60 cm festgelegt, und aufgrund der möglichen unsym-metrischen Lasten bewehrt ausgeführt (Bild 12). Nach-dem das Nachprofilieren ein Stück vorangeschritten war,wurde sogleich an vier Fronten mit dem Nachbau der In-

Fig. 13. Western portal of finished tunnel (http://en.wikipedia.org/wiki/File:Tunnel_Thirra.jpg)Bild 13. Westportal des fertigen Tunnels



Within 5 1/2 months, about 1,000 m of tunnel were re-profiled, 60 m of collapse zone re-mined, and the full sec-tion equipped with waterproofing and reinforced inner lin-ing, carriageway and painting of the walls. When theM&E equipment was also ready to function on May 21st

2010, the south tube was handed over and opened for one-way traffic. This achievement by the construction teamwas most impressive.

One lane of the south tube was then used to supplythe remaining activities in the north tube. These works fol-lowed the same principles without further problems andwere completed in October 2010 (Fig. 13).

8 Conclusion

This project was very unusual and instructive for all whoparticipated. The collapse on November 5th put the wholeproject in a state of shock. The measures to stabilize thetunnel had to be decided within 24 hours and neededprompt implementation. The measures were effective im-mediately and built up confidence for further co-opera-tion. The initial phase is a typical example that it is neces-sary to think big during a crisis.

With an overburden of 500 m, the presence of a faultzone and large preceding convergence, a tunnel designercould be inclined to choose a deformable support. Be-cause of the geological picture and the fact that the exist-ing support was mostly destroyed in its function, it was be-lieved that the geomechanical problem was the looseningof the rock mass rather than squeezing. In any case noth-ing would be gained from further displacement. Thereforethe rigid concept was chosen, which was easy to imple-ment and has performed perfectly. The contrast betweenthe previous convergence in the range of a meter and thelater 1 to 2 cm could not be greater.

No one had thought that it would be possible to re-profile 1,000 m of tunnel and finish all interior works andhand over within 5 1/2 months. This achievement was theresult of an exceptional effort and use of resources by theBechtel-Enka JV. The author experienced this period as aunique partnership among all parties and is grateful forthis time.

References

[1] Schubert, P., Laubbichler, J., Sauer, G.: Thirra Tunnel Albanien – mit einem radikalen Tunnelbaukonzept von derSackgasse zum Erfolg. Betontag 2012, Österreichische Bau-technik Vereinigung. Vienna, 2012

Dipl.-Ing. Dr.mont. Peter SchubertiC consulenten ZT GesmbHZollhausweg 15101 Bergheim Austria

nenschalensohle, der Abdichtung, der Bewehrung und derInnenschale begonnen.

So wurden zwischen etwa 10. Dezember 2009 und21. Mai 2010, de facto also in fünfeinhalb Monaten,1.000 m Tunnel nachprofiliert, 60 m Verbruch aufgearbei-tet, die gesamte Strecke mit einer Abdichtung und bewehr-ten Innenschale versehen, die Betriebs- und Sicherheits-einrichtungen eingebaut, die Beschichtung der Ulmen auf-gebracht und die Fahrbahn fertig gemacht. Am 21. Mai2010 wurde die Südröhre für den Verkehr freigegeben. Dieorganisatorische Leistung und die Konsequenz der Umset-zung durch die ausführende Arbeitsgemeinschaft warensehr beeindruckend.

Um die Arbeiten in der Nordröhre nun versorgen zukönnen, wurde der Verkehr in der Südröhre vorerst nureinspurig geführt und die zweite Spur dem Baustellenver-kehr vorbehalten. Die Arbeiten in der Nordröhre wurdenin derselben Weise wie in der Südröhre vorangetrieben,ohne weitere Probleme und natürlich mit zunehmenderEffizienz. Die Fertigstellung erfolgte Mitte Oktober 2010(Bild 13).

8 Schlussfolgerung

Dieses Projekt war für die daran Beteiligten in einigen As-pekten besonders lehrreich.

Der Verbruch am 5. November 2009 hat die gesamteBaustelle in einen Schockzustand versetzt. Die darauf fol-genden Stabilisierungsmaßnahmen mussten innerhalbvon 24 Stunden entschieden werden und wurden unver-züglich umgesetzt. Diese Maßnahmen haben sofort ge-wirkt und damit viel notwendiges Vertrauen für die weite-re Arbeit hergestellt. Diese Situation war ein typischer Fallvon „Klotzen statt Kleckern, wenn der Hut brennt“.

Mit einer Überlagerung von 500 m und einer Stö-rungszone und den daraus resultierenden Konvergenzenkönnte man geneigt sein, für die Sanierung des Tunnelsgrundsätzlich einen nachgiebigen Ausbau zu wählen. Auf-grund des geologischen Bildes und des teilweise fast völli-gen Verlustes der Tragfähigkeit des Ausbaus kam das Be-raterteam zur Ansicht, dass die Auflockerung im Vorder-grund steht und durch weitere Verschiebungen nichts zugewinnen ist. Daher wurde ein steifes Konzept gewählt,das einfach umzusetzen war und sich ausgezeichnet be-währt hat. Der Kontrast zwischen den vorherigen Konver-genzen im Meterbereich und den späteren Verschiebun-gen von 1 bis 2 cm hätte nicht größer sein können.

Niemand hätte gedacht, dass man in fünf Monaten1.000 m desolaten und teilweise verbrochenen Tunnel vonder Nachprofilierung bis zur Verkehrsübergabe fertig stel-len kann. Diese Leistung war das Ergebnis einer großenlogistischen Leistung der Arbeitsgemeinschaft Bechtel-En-ka, aber auch eines großen Ressourceneinsatzes.

Der Autor hat diese Zeit nach dem ersten Schreck alsäußerst produktive und befriedigende Periode erlebt, undist dem Team Dr. Sauer als Planungspartner, IGH als Ört-liche Bauaufsicht und Bechtel-Enka als ausführende Ar-beitsgemeinschaft dankbar für die partnerschaftliche Ver-folgung des Ziels.


The new transport corridor TRACECA (Transport Corridor Europe-Caucasus-Asia) connects Azerbaijan with Black sea ports and allows an increase in the freight volume and passenger traffic inthe future. Within this corridor the Georgian Government decidedto build a bypass around Tbilisi as a solution for the trend of in-creasing traffic. The bypass railway project of Tbilisi includesfour single-tube tunnels in a suburban area of Tbilisi with smalloverburden which pass through poor and complex rock massconditions. The project is still ongoing and will be finished in 2013.

1 Overview

In order to include the Tbilisi bypass in the new transportcorridor TRACECA (Transport Corridor Europe-Cauca-sus-Asia) a new railway line with an overall length of38 km was planned by the Georgian Government. A con-ceptual design was produced as basis for the EPC contractaward (Engineering, Procurement, Construction). All de-sign and construction works are to be performed in accor-dance with the Russian Industry Standards (SNIP) and allproducts must adhere to the Russian Product Certification(GOST).

Figure 1 shows the proposed alignment of the railway.It is divided into the following sections:– Green line: new double-track alignment (28 km),– Blue line: reconstructed single-track alignment with in-

stallation of a second railway track (10 km),– Red line: tunnel locations,– Black line: existing railway.

The EPC contract includes the complete works for the rail-way line such as:– Infrastructure (culverts, bridges, tunnels),– Earthworks,– Signalling and telecommunication,– Overhead equipment,– Engineering services and quality management,– scheduling and cost control

Four single-tube tunnels with a total length of 3,587 m areto be constructed in the framework of the 38 km long Tbilisi railway bypass project. The major part of the tunnelexcavation works are passing through suburban areas ofTbilisi. The excavation works started in the beginning of2011.

Der neue Verkehrskorridor Transport Corridor Europe-Caucasus-Asia (TRACECA) verbindet Aserbaidschan mit einigen Hafenstäd-ten am Schwarzen Meer und ermöglicht so eine künftige Erhö-hung des Frachtvolumens und des Personenverkehrs. Die georgi-sche Regierung hat beschlossen, innerhalb dieses Korridors eineUmfahrung für Tiflis zu bauen, um das stetig steigende Verkehrs-aufkommen zu bewältigen. Das Eisenbahnumfahrungsprojekt fürTiflis umfasst vier Doppelspurtunnel mit geringer Überlagerung.Die Tunnel befinden sich in den Außenbezirken von Tiflis und ver-laufen durch ungünstige und komplexe Gebirgsverhältnisse. DasProjekt wird 2013 fertiggestellt.

1 Überblick

Um Tiflis im Rahmen des neuen Verkehrskorridors Trans-port Corridor Europe-Caucasus-Asia (TRACECA) eisen-bahntechnisch zu umfahren, wurde von der georgischenRegierung eine neue Bahnlinie mit einer Gesamtlänge von38 km geplant. Das Vorprojekt wurde als Grundlage fürdie Vergabe des EPC-Vertrags (Engineering, Procurement,Construction) erstellt. Alle Plan- und Bauarbeiten müssenauf Grundlage der russischen Baunormen (SNIP), und al-le verwendeten Produkte müssen den russischen GOST-Zertifikaten entsprechen.

Bild 1 zeigt die geplante Trassierung für die Eisen-bahnlinie. Sie ist in die folgenden Abschnitte unterteilt:– Grüne Linie: neue zweispurige Trasse (28 km),– Blaue Linie: Erneuerte einspurige Trasse mit neu errich-

tetem zweiten Gleis (10 km),– Rote Linie: Lage der Tunnel,– Schwarze Linie: bestehende Eisenbahnlinie.

Der EPC-Vertrag umfasst die gesamten Arbeiten für die Eisenbahnlinie:– Infrastruktur (Durchlässe, Brücken, Tunnel),– Erdbau,– Signaltechnik und Telekommunikation,– Oberleitungsanlagen,– Ingenieurleistungen und Qualitätsmanagement,– Termin- und Kostenkontrolle.

Im Rahmen der 38 km langen Eisenbahnumfahrung vonTiflis werden vier einröhrige Tunnel mit einer Gesamtlän-ge von 3.587 m errichtet. Der Großteil des Tunnelvor-triebs verläuft unterhalb der Außenbezirke von Tiflis. DieVortriebsarbeiten haben Anfang 2011 begonnen.

Topics

Railway tunnels on Tbilisi bypass project – Georgia

Eisenbahntunnel für das Umfahrungsprojekt Tiflis,Georgien

DOI: 10.1002/geot.201300002Igor Prebeg


I. Prebeg · Railway tunnels on Tbilisi bypass project – Georgia

All tunnels of the new railway line are constructed fordouble-track traffic. The data concerning the individualtunnels is summarised in Table 1.

2 Contract arrangement

The employer of the Tbilisi Bypass Railway Project is theGeorgian Railway LLC (LLC = Limited Liability Com -pany, changed to a joint-stock company in April 2012).The EPC contract for the new 28 km long railway line andfor the reconstruction of the existing 10 km long railwayline was awarded to the Chinese-Georgian joint venture of “China Railway 23rd Bureau Group Co Ltd & JSCKhidmsheni”. In July 2010, the contract was signed basedon a contractual lump sum and a total constructionperiod of 36 months.

The control and approval of the contractor’s designand the supervision works in accordance with the FIDIC Yellow Book were assigned to the joint venture ofILF Consulting Engineers and GRE – Gauff Rail Engi-neering.

3 Design 3.1 Tunnel layout

The tunnel design is based on a double-track electrifiedline with minimum clearance (railway loading gauge) asshown in Figure 2. Further requirements include:– Sidewalk with a width of 75 cm on both sides,– Cross-section enlargement for curved sections,– Niches every 60 m on both sides,– Central drainage channel connected to longitudinal

drainage pipes via cross connections at intervals of10 m,

Alle Tunnel der neuen Eisenbahnlinie werden für denzweigleisigen Verkehr ausgebaut. Die grundlegenden Da-ten der einzelnen Tunnel sind in Tabelle 1 zusammenge-fasst.

2 Vertragsgestaltung

Der Auftraggeber des Projekts Eisenbahnumfahrung Tiflisist „Georgian Railway LLC“ (= Limited Liability Companybzw. GmbH, wurde im April 2012 in eine Aktiengesell-schaft umgewandelt). Der EPC-Vertrag für die neue 28 kmlange Eisenbahnlinie und für die Erneuerung der beste-henden 10 km langen Strecke wurde an das chinesisch-ge-orgische Joint Venture „China Railway 23rd Bureau GroupCo Ltd & JSC Khidmsheni“ vergeben. Im Juli 2010 wurdeder Vertrag unterzeichnet; darin wurden eine Pauschalesowie eine Gesamtbauzeit von 36 Monaten vereinbart.Die Kontrolle und Freigabe der Planung der ausführendenFirma sowie die Bauüberwachung im Sinne des YellowBook von FIDIC wurden an das Joint Venture „ILF Con-sulting Engineers & GRE – Gauff Rail Engineering“ verge-ben.

Fig. 1. Alignment of Tbilisi Railway Bypass ProjectsBild 1. Trasse der Eisenbahnumfahrung Tiflis

Table 1. Tunnel data of Tiflis bypass projectTabelle 1. Daten zu den Tunneln der Umfahrung Tiflis

Tunnel Tunnel length Maximum Maximum number [m] overburden [m] gradient [‰]

1 1,046 104 16.2

23 902 35 15.9

4 415 57 15.7

5 1,224 107 15.0



– Waterproofing with a 1.5 mm waterproof sheet (umbrel-la sealing system),

– Additional sealing of the inner concrete lining with wa-ter stops as well as at the connection of invert and vault.

The original design [1] includes three different supporttypes, as shown in Table 2.

3 Planung 3.1 Tunnellayout

Die Tunnelplanung basiert auf einer zweispurigen elektri-fizierten Strecke mit minimalem Lichtraumprofil wie inBild 2 dargestellt. Die weiteren Anforderungen umfassen:– Randweg mit einer Breite von 75 cm auf beiden Seiten,

Fig. 2. Cross section of Type Ix with structure gauge for the railwayBild 2. Querprofil des Typs Ix mit Lichtraumprofil für die Eisenbahn

Table 2. Main characteristics of primary lining and inner liningTabelle 2. Auslegung der Außen- und Innenschale

Support type Primary lining Inner liningAusbautyp Außenschale Innenschale

Type II 15 cm of shotcrete reinforced with one layer of wire mesh, 40 cm thick unreinforced inner lining rock bolts in crown and side walls L = 3 m, spacing with invert arch 1.0 m × 1.5 m, lattice girders, no primary lining for invert

15 cm bewehrter Spritzbeton, Baustahlgitter, Felsanker in 40 cm dicke unbewehrte Innenschale der Firste und den Ulmen L = 3 m mit Raster von mit Sohlgewölbe1,0 m × 1,5 m (q/l), Gitterträger, kein Sohlausbau

Type I 20 cm of shotcrete reinforced with one layer of wire mesh, 45 cm thick reinforced inner lining rock bolts in crown and side walls L = 3.5 m, spacing with invert arch1.0 m × 1.0 m, steel arches HEB 180, no primary lining for invert

20 cm bewehrter Spritzbeton, Baustahlgitter, Felsanker in 45 cm dicke bewehrte Innenschale den Firste und den Ulmen L = 3,5 m im mit Raster von mit Sohlgewölbe1,0 m × 1,0 m (q/l), HEB 180 Stahlbögen, kein Sohlausbau

Type Ix 23 cm of shotcrete reinforced with one layer of wire-mesh, 55 cm thick reinforced inner lining rock bolts in crown and side walls L = 3.5 m, spacing with invert arch1.0 m × 0.8 m, steel arches HEB 180, invert arch

23 cm bewehrter Spritzbeton, Baustahlgitter, Felsanker in 55 cm dicke bewehrte Innenschale der Firste und den Ulmen L = 3,5 m, im mit Raster von mit Sohlgewölbe1,0 m × 0,8 m (q/l), HEB 180 Stahlbögen, Sohlgewölbe



3.2 Control and approval procedures

The most important work for the FIDIC engineer was andis the approval of the design prepared and presented bythe engineers of the contractor. Different packages (i.e. in-frastructure, earthworks, signalling, overhead line, track,etc.) were established by the contractor.

The following categories were introduced and usedfor control and approval:– C: Not approved with comments, resubmission of re-

vised documents required.– B: Approved for construction with comments. Construc-

tion may commence if comments on documents weretaken into account, however the drawings/specifica-tions/documents have to be revised based on the com-ments and resubmitted for approval.

– A: Approved for construction.

The main documents for the approval procedure of thetunnels were presented by the contractor in the form ofthree packages: – Package 1: drawings,– Package 2: method statements,– Package 3: structural calculations.

In the beginning there were some problems with regard toachieving the status “A” in the documents for the tunnels,especially for tunnel 23. The reason for the delay was thatthe design had changed from having two tunnels with thenumbers 2 and 3 to having just one continuous tunnelwith the number 23. This change of concept had to followformal legal rules in order to constitute a variation order.

3.3 Stability analyses

The stability analyses for the primary lining and the calcu-lations for the inner lining were carried out using FE mod-els where the self-weight stress was taken as the initialstress condition [2]. The calculations for the primary lin-ing were performed for different rock conditions and re-sulted in suitable support measures. The main excavationwas divided into three steps with top heading, bench andinvert excavation. In poor ground conditions the completetunnel profile was divided into seven steps with an appro-priate face support (Figure 3).

Although the stability of the primary lining wasproved by the calculations the contractor proposed in theconclusion to temporarily evacuate the houses above theexcavation works. The proposal was that after placing theinner lining the houses were to be checked, repaired ornewly built. Furthermore the road traffic was to be divert-ed in areas where the excavation is in progress.

The primary lining was constructed according to theproposed support types. The face support consisted ofshotcrete and rock bolts besides the face wedge.

4 Construction (Tunnel 23)4.1 Geology

The geology of the tunnel area consists of mild clay, layersof alluvial gravel and claystone. Existing drillings revealedno discontinuities in the tertiary claystone.

– Aufweitung des Normalprofils in Kurven,– Nischen im Abstand von je 60 m auf beiden Seiten,– Zentraler Sohlkanal mit Querverbindungen im Abstand

von je 10 m zu den Gewölbedränageleitungen,– Abdichtung mit einer 1,5 mm dicken Abdichtungsfolie

(Regenschirmabdichtung),– Zusätzliche Abdichtung der Blockfugen und des Über-

gangs zwischen Sohle und Gewölbe mit Fugenbändern.

Die ursprüngliche Planung [1] umfasst drei verschiedeneAusbautypen, die in Tabelle 2 ersichtlich sind.

3.2 Kontroll- und Freigabeverfahren (Planprüfung)

Die wichtigste Arbeit des FIDIC-Ingenieurs war und ist dieFreigabe der vom Ingenieur der ausführenden Firma vor-bereiteten und vorgelegten Planung. Die ausführende Fir-ma hat verschiedene Pakete für Infrastruktur, Erdbau, Sig-naltechnik, Oberleitung, Gleis, etc. erstellt.

Die folgenden Bewertungen wurden für die Kontrolleund Freigabe eingeführt:– C: Nicht freigegeben mit Anmerkungen, erneute Einrei-

chung der überarbeiteten Dokumente erforderlich.– B: Freigegeben für den Bau mit Anmerkungen. Der Bau

kann beginnen wenn die Anmerkungen zu den Doku-menten berücksichtigt wurden; die Pläne/Spezifikatio-nen/Dokumente müssen aber auf Grundlage der An-merkungen überarbeitet und erneut zur Freigabe einge-reicht werden.

– A: Freigegeben für den Bau.

Die Hauptdokumente für das Freigabeverfahren der Tun-nel wurden von der ausführenden Firma in drei Paketenvorgelegt: – Paket 1 – Pläne,– Paket 2 – Verfahrensanweisungen,– Paket 3 – Statische Berechnungen.

Das Erreichen der Kategorie A für die Tunnelunterlagenwar zu Beginn vor allem für den Tunnel 23 schwierig. DerGrund für die Verzögerung war eine Änderung des Ent-wurfs; statt zwei Tunnel mit den Nummern 2 und 3 wurdeein durchgehender Tunnel (deshalb die Nummer 23) fest-gelegt. Diese Entwurfsänderung musste formellen Rechts-vorschriften folgen, damit die Vertragsänderung rechts-kräftig wurde.

3.3 Statische Berechnungen

Die statischen Berechnungen für die Außenschale und dieBerechnungen für die Innenschale wurden mittels FE-Mo-dell durchgeführt, wobei die Spannungen infolge Eigenge-wicht als Primärspannungszustand angenommen wurden[2].

Die Berechnungen für die Außenschale wurden fürunterschiedliche Gebirgsverhältnisse durchgeführt unddienten als Grundlage für die Ausbruchssicherung. DerHauptvortrieb wurde im Kalotten-Strossen-Sohlausbruchdurchgeführt. Bei schlechten Gebirgsverhältnissen wurdeder Ausbruch in sieben Teilquerschnitte aufgeteilt und mit einer entsprechenden Ortsbrustsicherung versehen(Bild 3).



The tunnel was driven through almost homogeneouslithologies, namely weak claystone in dry conditions withmoderate swelling behaviour and an uniaxial ultimatecompressive strength of 5 to 10 MPa. A simple test madeon site showed claystone after contact with water and a pe-riod of 24 hours (Figure 4). One part of tunnel 23, whichwas excavated through non-cohesive soil starting at thewestern side, consists mostly of sand and gravel combinedwith clay (Figures 5 and 6).

The hydrogeological conditions during the excava-tion can be described as mostly dry, apart from the portalzones and tunnel 23 where the groundwater level reachedthe area between the bench and the top heading; this wasespecially true in the vicinity of the eastern portal, whichis near Gldani Lake, where the water level of the lake isabout 3.5 m above track level (Figure 7).

The groundwater is sulphate aggressive (pH = 8) withcontents of hydrogen sulphide of up to 12 mg/l which re-sult also in an increased presence of gas (methane) and anincrease in temperature [3].

Fig. 3. Tunnel cross and longitudinal sections showing construction in seven steps (tunnel design – package 3)Bild 3. Tunnelquerschnitt und -längsschnitt mit Ausbruch in sieben Schritten (Tunnelplanung – Paket 3)

Fig. 4. Claystone test with waterBild 4. Test mit Tonstein und Wasser

Fig. 6. Non cohesive soil (sand/gravel)Bild 6. Kohäsionsloses Lockermaterial (Sand/Kies)

Fig. 5. Claystone with moderate swelling behaviourBild 5. Tonstein mit geringem Quellverhalten



Generally it was decided to excavate all tunnels me-chanically by excavators without adopting the drill andblast method.

4.2 Geotechnical measurements

An extensive monitoring system with mainly convergenceand settlement measurements in the tunnel has been es-tablished (Figure 8). The very small overburden of some-times less than 10 m poses a large risk of damaging hous-es. For the additional preservation of evidence measure-ments of the settlements on the surface were performed inthese areas of the tunnel and the relationship with the de-formations in the tunnel was established.

In order to have clear evidence of any structural dam-age – i.e. to know whether any damage is caused by thetunnel works – very simple measures were adopted such asapplying patches of plaster on existing cracks in adjacentbuildings ahead of the excavation works.

Obwohl die Standsicherheit der Außenschale durchBerechnungen nachgewiesen wurde, hat die ausführendeFirma in der Schlussfolgerung vorgeschlagen, die Häuseroberhalb der Vortriebsarbeiten vorübergehend zu evakuie-ren. Der Vorschlag sah vor, dass die Häuser nach dem Ein-bau der Innenschale kontrolliert, instandgesetzt oder neuerrichtet werden. Zusätzlich sollte der Verkehr in den vomVortrieb betroffenen Gebieten umgeleitet werden.

Die Außenschale wurde auf Grundlage der vorge-schlagenen Ausbautypen errichtet. Die Ortsbrustsiche-rung umfasste neben dem Brustkeil auch Spritzbeton undFelsanker.

4 Bau (Tunnel 23)4.1 Geologie

Die Geologie besteht aus sandigem Ton, Schichten mit alluvialen Kiesen und Tonstein. Bestehende Bohrungenhaben keine Diskontinuitäten im tertiären Tonstein ge-

Fig. 7. Top view and front view of eastern portal of tunnel 23 and Lake GladaniBild 7. Draufsicht und Vorderansicht des Ostportals von Tunnel 23 und vom Gladani See

Fig. 8. Deformation measurements in the tunnel Bild 8. Verformungsmessungen im Tunnel



The geotechnical measurements (convergence, settle-ment) were also used to determine the time for starting theinstallation of the inner lining.

4.3 Collapse during excavation in tunnel 23

The advance of tunnel 23 from the west portal was dividedinto seven excavation steps due to poor ground conditionsof non-cohesive soil (sand/gravel). The average overbur-den amounts to approximately 10 m. The groundwaterlevel during the excavation reached the bottom of the topheading which caused local instabilities during the benchexcavation. After heavy rainfall, the level of groundwaterrose and saturated the soil surrounding the tunnel. Duringthe excavation of the bench, the footing of the headinglost its bearing capacity and produced the failure of thetop heading (Figure 9).

Figure 10 shows the excavation stage one day beforethe collapse. The local failure (red arrow) of the footingduring the excavation of the upper bench immediatelyproduced a domino effect resulting in the collapse ofaround 10 m of the top heading.

Fortunately, on the surface only a small part of theroad was directly affected by the collapse; there were nobuildings in the area of the crater that was caused by thecollapse. The road was closed just in time and thus neitherpeople nor traffic were affected. Figures 11 and 12 show

zeigt. Der Tunnel wurde durch beinahe einheitliche Ge-steinsarten vorgetrieben, nämlich durch zerlegten trocke-nen Tonstein mit geringen Quelldrücken und einer ein-axialen Druckfestigkeit von 5 bis 10 MPa. Ein einfachervor Ort durchgeführter Test zeigt den Tonstein nach 24Stunden, nachdem er mit Wasser in Kontakt gekommenist (Bild 4). Ein Teil des Tunnels 23, der von Westen ausdurch kohäsionsloses Lockermaterial vorgetrieben wurde,besteht hauptsächlich aus tonigem Sand und Kies (Bilder5 und 6).

Die hydrogeologischen Verhältnisse während desVortriebs waren meist trocken abgesehen von den Portal-bereichen und dem Tunnel 23, wo der Grundwasserspie-gel die Kalottensohle erreichte; das traf vor allem auf dieUmgebung des Ostportals in der Nähe vom Gladani Seezu, wo das Wasserniveau des Sees circa 3,5 m oberhalb desGleisniveaus liegt (Bild 7).

Das Grundwasser ist aufgrund des Sulfatgehalts ag-gressiv (pH = 8) und weist Schwefelwasserstoffmengenvon bis zu 12 mg/l auf, was auch zu einem erhöhten Vor-kommen von Gas (Methan) und einer erhöhten Tempera-tur führte [3].

Allgemein hat man sich bei allen Tunnelvortriebenfür den Baggervortrieb ohne Sprengen entschieden.

4.2 Geotechnische Messungen

Ein umfassendes Überwachungssystem mit Konvergenz-und Setzungsmessungen wurde in allen Tunneln einge-setzt (Bild 8). Die geringe Überlagerung von z. T. wenigerals 10 m stellt ein signifikantes Risiko dar und kann zu Be-schädigungen an Häusern führen. Als zusätzliche Beweis-sicherung wurden Setzungsmessungen an der Oberflächein diesen Bereichen des Tunnels durchgeführt und der Zu-sammenhang zwischen den Verformungen im Tunnel undan der Oberfläche betrachtet.

Um Nachweise für etwaige Bauschäden zu haben,d. h. um zu wissen, ob etwaige Schäden durch die Tunnel-bauarbeiten verursacht wurden, wurden sehr einfacheMaßnahmen gesetzt wie etwa Gipsmarken, die vor Beginnder Vortriebsarbeiten auf bestehende Risse von Häusernim Einflussbereich angebracht wurden.

Die geotechnischen Messungen (Konvergenz, Set-zung) wurden auch dazu herangezogen, um den Zeitpunktfür den Beginn des Ausbaus der Innenschale zu bestim-men.

4.3 Verbruch im Tunnel 23

Der Vortrieb des Tunnels 23 vom Westportal aus wurde inAnbetracht der schlechten Gebirgsverhältnisse des kohäsi-onslosen Lockermaterials (Sand/Kies) in sieben Stufenunterteilt. Die durchschnittliche Überlagerung beträgtrund 10 m. Das Grundwasserniveau während des Vor-triebs erreichte die Unterkante der Kalotte, was lokal zuInstabilitäten während des Ausbruchs der Strosse führte.Nach starken Regenfällen stieg das Grundwasserniveauan und weichte den Untergrund auf. Während des Aus-bruchs der Strosse verlor daher der Kalottenfuß seineTragfähigkeit und löste ein Versagen der Kalotte aus(Bild 9). Bild 10 zeigt die Situation einen Tag vor dem Ver-bruch. Das lokale Versagen (roter Pfeil) des Kalottenfußes

Fig. 9. Face of excavation in tunnel 23 a day before failureBild 9. Ortsbrust im Tunnel 23 ein Tag vor dem Verbruch

Fig. 10. Cause of failure in tunnel 23Bild 10. Ursache für den Verbruch im Tunnel 23



the situation of the collapse in the tunnel and on the sur-face.

After recording the situation of the incident it was de-cided to change the construction method on a total lengthof 55 m in the area of the collapse. This stretch of the rail-way tunnel is being constructed using the cut and covermethod.

4.4 Appearance of methane gas

Measurements of gas were made continually during theexcavation; an increased level of methane gas was mea-sured with a percentage of 0.08 % of to the total air vol-ume or 1.6 % LEL (Lower Explosive Limit) according toBS 6164:2001 [4].

5 Conclusion

– Design review: The review process was hampered by thefact that all procedures had to first be agreed upon be-tween the employer, the contractor and the engineer. Itwas clearly stated in the contract that no works were tocommence without approved documents.

– Geotechnical measurements: In order to avoid the evac-uation of houses as proposed by the contractor it wasagreed between the employer, the contractor and the en-gineer that additional measures such as settlement mea-surements, applying patches of plaster, etc. shall be per-formed.

– Collapse: The area of the collapse was repaired adopt-ing the cut and cover method over a length of 55 m. Thedetails for the transition from the mined tunnel to thecut and cover section for the inner lining are not ap-proved yet.

– Quality Control/Health and Safety (HSE): Quality con-trol and HSE procedures were developed by the engi-neer before the beginning of the construction works andimplemented by the contractor on site.

Although the tunnel works are not yet completely finishedit can be stated that the works will be completed in time,within budget and to the demanded quality standards.

während des Vortriebs der Strosse endete in einer Ketten-reaktion, die zu einem ca. 10 m langen Verbruch der Ka-lotte geführt hat.

Glücklicherweise war nur ein schmaler Randbereichder darüber liegenden Straße direkt vom Verbruch betrof-fen; Gebäude in der Nähe des durch den Verbruch verur-sachten Kraters wurden nicht beschädigt. Die Straße wur-de gerade noch rechtzeitig für den Verkehr gesperrt undso waren weder Menschen noch Verkehr betroffen. DieBilder 11 und 12 zeigen den Verbruch im Tunnel und ander Oberfläche.

Nach der Bestandsaufnahme des Vorfalls hat mansich dazu entschlossen, die Baumethode auf einer Ge-samtlänge von 55 m im Bereich des Verbruchs zu ändern.Dieser Teil des Eisenbahntunnels wird nun als offene Bau-weise errichtet.

4.4 Auftreten von Methangas

Gasmessungen wurden während des Vortriebs laufenddurchgeführt; ein erhöhter Methangaswert von 0,08 % desgesamten Luftvolumens oder 1,6 % UEG (untere Explo -sionsgrenze) laut Britischer Norm BS 6164:2001 [4] wurdefestgestellt.

5 Schlussfolgerung

– Planprüfung: Der Prüfprozess wurde dadurch erschwert, dass alle Ab-läufe zunächst zwischen Auftraggeber, ausführender Fir-ma und Ingenieur abgestimmt werden mussten. Im Ver-trag wurde klar festgelegt, dass ohne freigegebene Doku-mente nicht mit den Arbeiten begonnen werden darf.

– Geotechnische Messungen: Um das von der ausführenden Firma vorgeschlageneEvakuieren der Häuser zu vermeiden, haben sich Auf-traggeber, ausführende Firma und Ingenieur auf dieDurchführung von zusätzliche Maßnahmen wie etwaSetzungsmessungen, Anbringen von Gipsmarken, etc.geeinigt.

– Verbruch. Der Verbruch wurde auf einer Länge von55 m durch eine in offener Bauweise errichtete Tunnel-

Fig. 11. Collapsed material from inside of tunnel 23Bild 11. Verbruchmaterial im Inneren des Tunnels 23

Fig. 12. Crater seen from surface above tunnel 23Bild 12. Krater von der Oberfläche des Tunnels 23 gesehen



References

[1] Tbilisi Railway Bypass Project: Tunnel Design, Package 1.Joint venture „CCRC 23 & JSC Khidmsheni“.

[2] Tbilisi Railway Bypass Project: Tunnel Design, Package 3.Joint venture „CCRC 23 & JSC Khidmsheni“.

[3] LLC „Saktransproject“: Engineering-Geological Survey Re-port. Volume 4.

[4] BS 6164:2001: Code of practice for safety in tunnelling inthe construction industry. p. 51.

Igor Prebeg, MCE (Master Civil Engineer)ILF Beratende IngenieureBaubüro, GeorgienZavidovicka 2010040 [email protected]

röhre instand gesetzt. Die Details der Innenschale imBereich des Übergangs vom bergmännischen Tunnelzum Abschnitt in offener Bauweise sind noch im Frei -gabeprozess.

– Qualitätskontrolle/Sicherheits- und Gesundheitsschutz(SIGE).Maßnahmen zur Qualitätskontrolle sowie SIGE-Prozes-se wurden vom Ingenieur vor dem Beginn der Bauarbei-ten erstellt und von der ausführenden Firma vor Ort um-gesetzt.

Obwohl die Tunnelarbeiten noch nicht abgeschlossensind, kann bereits jetzt gesagt werden, dass die Arbeitenpünktlich, innerhalb des Budgets und entsprechend dergeforderten Qualitätsstandards fertiggestellt werden.


Topics

DOI: 10.1002/geot.201300005

The underground metropolitan transport network of London is notonly the oldest worldwide, but also one of the busiest, serving ap-proximately a billion passengers annually. Both of these charac-teristics induce an accelerating necessity for new infrastructureas well as maintenance and rehabilitation of the present infra-structure, which of course includes the upgrading and extensionof existing underground stations. Next to that, especially withLondon being one of the most condensed regions in the world, in-fluence of tunnelling works on the built environment can hardlybe matched. A huge design challenge is then to develop an ap-propriate balancing solution that guarantees, apart from the newstructures’ safety and functionality, the operational and structuralintegrity of the existing neighbouring structures and surroundingassets and utilities. Under these circumstances, Sprayed Con-crete Lining (SCL) structures are very often a preferable option,due to the flexibility in geometries and the ability to regulate theimpacts on surrounding structures during construction. This pa-per aims to present the status of London transport infrastructureand recent important initiatives towards its improvement (i.e. theLU upgrade plan and the Crossrail project), the sensitivities andparticularities of underground sprayed concrete constructions inLondon, and an outline of case histories from Dr. Sauer and Part-ners (DSP) involvement in respective projects, namely the LondonUnderground Green Park Station, the Bond Street Station, andthe Tottenham Court Road Station upgrades and the Crossrail Far-ringdon Station, the Limmo Auxiliary Shaft and the IndependentCategory-3 design checks of the Crossrail project.

1 Introduction

The first metropolitan railway transport tunnel under-neath the streets of London opened in 1863 in order toserve the Metropolitan Railway, being the first of its kindworldwide. Today, some 150 years later, the London Un-derground system – with 11 lines, 270 stations, and a totalroute length of 400 km – is serving approximately 3 mil-lion journeys per day and up to a billion per year. It acts asthe backbone of one of the world’s busiest economic, so-cial and cultural centres. Beyond that, by 2020, the in-crease of passengers in the London Underground is ex-pected to rise by 50 %. Apparently the need for mainte-nance and upgrade of such a system is unavoidable andworks toward this aim are currently reflected by a series ofsimultaneous upgrade projects, many of which incorporat-ed to the so-called “Tube Upgrade Plan” initiative [9]. Theupgrade and maintenance works for the London Under-ground aim to deliver increased capacity of the system by

Das unterirdische Stadtverkehrsnetz von London (The Tube) istnicht nur das weltweit älteste, sondern auch eines der verkehrs-reichsten, mit rund einer Milliarde Passagiere jährlich. Beide As-pekte ergeben ein sich beschleunigendes Bedürfnis für neue In-frastruktur sowie für Wartung, Erweiterung und Modernisierungder bestehenden U-Bahn-Stationen. Da der Großraum London einbesonders dicht besiedeltes Gebiet ist, hat der Einfluss von neu-en Tunnelbauwerken auf bestehende Gebäude eine enorme Be-deutung. Dadurch ergibt sich eine erhebliche Herausforderung,die Struktur und den Betrieb benachbarter Bauwerke und derumliegenden Infrastruktur bzw. Anlagen zu gewährleisten. Unterdiesen Bedingungen wird die Spritzbeton-Tunnelbauweise (SCL)aufgrund der flexiblen Geometrien und die Fähigkeit, die Auswir-kungen auf die umgebenden Strukturen zu regulieren, sehr häufigeine bevorzugte Option. Dieser Bericht zielt darauf ab: (i) den Sta-tus der Londoner Verkehrsinfrastruktur und wesentliche Initiati-ven zu ihrer Verbesserung (d. h. den LU Upgrade Plan und dasCrossrail-Projekt) darzustellen, (ii) die Besonderheiten der Spritz-beton-Tunnelbauweise in London zu dokumentieren und (iii) einenbreiten Erfahrungsbericht der Fa. Dr. Sauer und Partner (DSP) zuentsprechenden Projekten zu geben. Dabei handelt es sich umdie Upgrades von London Underground Green Park Station, BondStreet Station und Tottenham Court Road Station sowie die Crossrail Farringdon Station, den Limmo Hilfsschacht und die un-abhängige Überprüfung der Planung von Crossrail-Tunnelbau-werken.

1 Einführung

Der erste innerstädtische Schienenverkehrstunnel unterden Straßen Londons wurde 1863 eröffnet und diente, alsder erste seiner Art weltweit, der Metropolitan Railway.Heute, etwa 150 Jahre später, befördert das Londoner U-Bahn-System – mit 11 Linien, 270 Stationen und einerGesamtstreckenlänge von 400 km – ca. 3 Millionen Passa-giere am Tag und bis zu 1 Milliarde Passagiere im Jahr. Esfungiert als Rückgrat eines der weltweit ökonomisch, sozi-al und kulturell geschäftigsten Zentren der Welt. Darüberhinaus wird bis zum Jahr 2020 mit einem Anstieg des Pas-sagieraufkommens von 50 % gerechnet. Es ist daher offen-sichtlich, dass ein solches System kontinuierlicher In-standhaltungs- und Erweiterungsmaßnahmen bedarf. ZurVerfolgung dieses Ziels wird daher derzeit eine Reihe si-multaner Verbesserungsmaßnahmen erwogen, von denenviele in die so genannte „Tube Upgrade Plan“-Initiativeeingebunden sind [9]. Ziel der Erweiterungs- und Instand-haltungsmaßnahmen an der Londoner U-Bahn ist es,

Design of SCL structures in London

Entwurf von Tunnelbauwerken in Spritzbeton-Bauweise am Beispiel London

Panagiotis SpyridisAli NasekhianGerald Skalla


P. Spyridis/A. Nasekhian/G. Skalla · Design of SCL Structures in London

rebuilding and refurbishing lines and main stations, whileit also entails arrangements for step-free-access (SFA) tothe network.

In parallel to the efforts for increased and more effi-cient transportation routes through the metropolitan area,Crossrail, a project that has been discussed already fordecades, was recently put in action and construction is al-ready underway. This new line is anticipated to increaseLondon’s rail capacity by approximately 10 % [10]. Theapproval gained through Royal Assent of the Crossrail Actin 2008 came to start the project from Maidenhead andHeathrow Airport to Shenfield and Abbey Wood at theperimeter of Greater London, reserving a total fund of14.8 bn GBP and making Crossrail the biggest construc-tion project currently in Europe. The project includes a118 km long rail alignment and 37 stations, whilst theparts crossing Central London and at Heathrow airportare directed underground totalling 21 km of new tun-nelling works, also incorporating the interchange connec-tions of stations with the existing network [1]. Once com-pleted and in service, it will be operated by Transport forLondon.

Regarding the expansion of the London Under-ground infrastructure the upgrade of Bank station, with adevoted budget of more than 600 mil GBP, is also on a de-ciding phase in tendering. The new bullet-train line HighSpeed 2, already in the preliminary design phase, will beterminating at Euston Station, crossing subterraneanGreater London in a twin bore tunnel designed for aspeed of 400 km/h. The Northern Line extension, Cross-rail 2, and other underground infrastructure projects ase.g. the Thames Tide Way are also appearing on track.

Considering the density of the built environment andthe age of sub- and superstructures in London, very tightrequirements apply on the tunnelling works, especially ondeformation limits of neighbouring underground infra-structure and third party assets. These requirements areefficiently met through SCL tunnelling. Dr. Sauer andPartners (DSP) has recently been involved in various pro-jects for both the LU upgrade and Crossrail providing ser-vices in tunnel lining and excavation design, constructionmanagement, and site supervision. This paper aims to pro-vide an insight of SCL tunnelling in these circumstancesand present the team’s recent relevant experiences.

2 Geological conditions and geotechnical information

The London basin has been originated during the AlpineOrogeny as a geological syncline. Since then it has beeneroded as a result of various cycles of relative sea rise andfall. In general, Made Ground (MG) overlies Alluvium(AL) and River Terrace Gravel (RT) deposits in most of theareas. Alluvium is composed of river deposits, primarilysilt and clay, with seams of sand and gravel. In general, thetotal thickness of the superficial deposits varies from 0.1 to16.5 m, with the typical thickness between 3 and 7 m. TheRiver Terrace Deposits typically comprise a well-gradedmix of sand and gravel. The average thickness is between3.0–5.0 m but it may amount to 15 m in some areas.

Below these strata lies the London Clay (LC) forma-tion, stiff over-consolidated clay, with significant silty andsandy content and features as laminations, cementstone,

durch Umbau und Modernisierung der Linien und Halte-stellen die Kapazität des Systems zu erhöhen und gleich-zeitig das U-Bahn-Netz barrierefrei zu gestalten.

Parallel zu den Bemühungen um vermehrte, effizien-tere Verkehrswege durch das Stadtgebiet wurde jüngst einseit Jahrzenten diskutiertes Projekt, Crossrail, in die Tatumgesetzt. Die ersten Bauarbeiten haben bereits begon-nen. Es wird erwartet, dass diese neue Linie die Schienen-kapazität Londons um ca. 10 % erhöht [10]. Mit der kö-niglichen Bewilligung des Crossrail Acts kam 2008 die Ge-nehmigung zum Bau des Projekts von Maidenhead undHeathrow Airport nach Shenfield und Abbey Wood, amäußeren Rand von Greater London. Mit 14,8 Mrd. GBPzur Verfügung stehender Mittel ist Crossrail derzeit dasgrößte Bauprojekt Europas. Es umfasst neben 118 kmGleisanlagen auch 37 Haltestellen, wobei der Bereich desLondoner Zentrums sowie der Heathrow Airport auf ins-gesamt 21 km neuer Tunnelstrecke unterfahren werden.Zusätzlich sind Anschlussverbindungen der Stationen andas bestehende Schienennetz enthalten. Nach der Fertig-stellung und Inbetriebnahme wird die Linie von Transportfor London betrieben werden.

Im Rahmen der Erweiterung des Londoner U-Bahn-Netzes befindet sich die Ausschreibung des Ausbaus derHaltestelle Bank Station, mit einem Etat von mehr als 600Millionen GBP, in ihrer entscheidenden Phase. Die neueHochgeschwindigkeitsstrecke High Speed 2, die sich be-reits in der Entwurfsplanungsphase befindet, endet an derEuston Station und durchquert London unterirdisch in ei-nem zweiröhrigen Tunnel, welcher für Geschwindigkeitenbis 400 km/h ausgelegt ist. Die Weichen für die Erweite-rung der Northern Line, Crossrail 2, und weitere unterirdi-sche Infrastrukturprojekte, z. B. den Thames Tide Way,sind gestellt.

In Anbetracht der dicht bebauten Umgebung und desAlters des unter- und oberirdischen Londons, werdenstrenge Anforderungen an die Tunnelarbeiten gestellt.Dies gilt besonders in Hinblick auf die Auswirkung der Deformationen an benachbarten, unterirdischen Trag-werksstrukturen sowie auf die Vermögenswerte Dritter.Diese Anforderungen werden effizient mit Hilfe der Spritz-beton-Tunnelbauweise (SCL) erfüllt. Dr. Sauer und Part-ner (DSP) sind seit einiger Zeit in diverse Projekte der bei-den Maßnahmen LU Upgrade und Crossrail eingebundenund erbringen Leistungen bei der Planung des Tunnelvor-triebs und der Tunnelsicherung sowie bei Bauleitung undBauüberwachung. Der vorliegende Beitrag soll einen Ein-blick in die Spritzbeton-Tunnelbauweise unter den ge-nannten Bedingungen geben und maßgebliche Erfahrun-gen der Arbeitsgruppe vorstellen.

2 Geologische Gegebenheiten und geotechnischeInformationen

Das Londoner Becken entstand während der Orogeneseder Alpen als geologische Synklinale. Anschließend folgteein Erosionsprozess, der sich als Konsequenz zyklisch auf-tretender Meeresspiegel-Anstiege und -Absenkungen er-gab. Im Allgemeinen überlagern in den meisten GebietenAnschüttungen (made ground – MG), alluviale Schichten(AL) und Flussterrassenkies-Ablagerungen (RT). Das Allu-vium besteht aus Flussablagerungen, hauptsächlich aus



claystone and sand lenses at places, with thickness thatvaries from 3 to 150 m, depending on the location, the ge-ological history and the presence of faults. Due to thepresence of these more permeable formations, the hori-zontal permeability of LC is higher than the vertical. In arough description, LC is divided into the A3 and A2 for-mations, with the A3 being a very stiff, dark grey-brown,silty to very silty clay, with occasional fissures and the A2being very stiff to hard, dark grey-brown, silty to very silty,slightly sandy clay, closely fissured. Generally LC is a verygood material for conventional tunnelling (low permeabil-ity and highly over-consolidated clay with high undrainedshear strength); however, due to tectonic activities (e.g. inFarringdon and Limmo fault zones) and weathering, theLC can be found fissured with blocky behaviour posingconcerns for local face stability. These strata were subject-ed to mild tectonic loading during the Alpine Orogenywhich formed the synclinal London basin and to substan-tial erosion. The amount of erosion within the ThamesValley has been estimated to lie between 150 to 300 m [2].This unloading caused the strata to become over-consoli-dated.

Below LC is Lambeth Group (LG) that comprises var-ious types of units with rather complex engineering andhydrogeological conditions. The upper part of LG usuallyhas a more “sandy” character, with typical sand lenses orsand channels present. The middle Lambeth Group Hia-tus (MLGH) is the boundary between the upper and thelower parts of the LG and is usually highlighted by thepresence of laminated beds. The lower part of the LG is ingeneral more “clayey”. At the bottom of LG sits the UpnorFormation (UF), which in most cases is a high permeabili-ty unit comprising pebbles, and clean or clayey sands. Fol-lowing, the Thanet Sand (TS) formation is a mostly uni-form, dense to very dense silty fine-grained sand. The for-mations described above sit on top of the Chalk Group(CK), whose thickness can exceed 180 m and is charac-terised as a soft to medium hard, white to off-white, homo-geneous limestone. The continuity of the London basinstratigraphy is interrupted by tectonic faults in several ar-eas and local deviations from the typical pattern describedabove. In terms of hydrogeology, two distinct aquifers ex-ist; the upper one which sits on top of LC formation andthe deep in the UF, TS and CK formation. In areas, an in-termediate aquifer can be identified in the sandy upperpart of LG.

In order to describe the mechanical behaviour of typ-ical subsoil layers in London area, geotechnical propertiesof the strata extracted from Bond Street Station UpgradeProject [7] are given in Table 1.

3 Analysis approaches

In London Underground projects where complete newtunnel systems are developed and the impact of new to ex-isting structures is of great importance, comprehensive 3Danalysis is now often pursued by both clients and design-ers. A full 3D modelling follows the main 3 purposes: (1)calculation of deformations and settlements due to all tun-nels as accurately as possible, (2) investigation of stressesoccurring in existing structures due to tunnelling in closeproximity, and (3) dimensioning the thickness and rein-

Schluff und Ton, die von Sand- und Kiesbändern durch -zogen werden. Im Allgemeinen variiert die Dicke der ober-flächigen Ablagerungen zwischen 0,1 und 16,5 m, mit einer durchschnittlichen Dicke von 3 bis 7 m. Die Fluss-terrassen-Ablagerungen bestehen typischer Weise aus ei-ner abgestuften Mischung aus Sand und Kies. Die durch-schnittliche Dicke hier beträgt 3 bis 5 m, kann aber in ei-nigen Bereichen auch 15 m erreichen.

Unterhalb dieser Schicht befindet sich der so genann-te London Clay (LC), eine Schicht steifen, überkonsoli-dierten Tons mit einem signifikanten Schluff- und Sand-Anteil, die Besonderheiten wie Laminierungen, Zementie-rungen, Tonstein und an einigen Stellen Sandlinsen auf-weist. Die Schicht hat eine Dicke von 3 bis 150 mabhängig von der Lage, geologischen Geschichte und demVorhandensein geologischer Störzonen. Infolge der vor-handenen Störzonen mit einer höheren Durchlässigkeit,ist die horizontale Permeabilität des London Clays höherals seine vertikale. Grob lässt sich die London Clay-Schicht in zwei Formationen – A3 und A2 – unterteilen.Während die A3-Formation aus sehr steifen, dunkel grau-braunem, schluffig bis stark schluffigem Ton mit gelegent-lich auftretenden Klüften besteht, setzt sich die A2-Forma-tion aus sehr steifem bis festem, dunkel grau-braunem,schluffig bis stark schluffigem Ton zusammen, der engma-schig von Klüften durchzogen wird. Im Allgemeinen istder London Clay jedoch gut für den konventionellen Tun-nelbau geeignet (geringe Permeabilität und stark überkon-solidierte Tone mit einer hohen undränierten Scherfestig-keit). Aufgrund tektonischer Aktivitäten (z. B. in der Far-ringdon und Limmo Störzone) und Verwitterung tritt derLondon Clay an einigen Stellen jedoch zerklüftet und da-her mit blockhaftem Verhalten auf, was lokal die Orts-bruststabilität beeinträchtigen kann. Die beschriebenenSchichten waren mäßigen tektonischen Lasten währendder alpinen Orogenese, welche das synkline Londoner Be-cken formte, ausgesetzt und erfuhren erhebliche Erosion.Die Mächtigkeit der Erosion abtragungen im Themse Talwird zu 150 bis 300 m geschätzt [2]. Diese Entlastung führ-te zu einer Überkonsolidierung der Schichten.

Unterhalb des London Clay befindet sich die so ge-nannte Lambeth Group (LG), die verschiedene Arten vonFormationsgruppen mit eher komplexen mechanischenund hydrogeologischen Eigenschaften umfasst. Der obereTeil der LG weist meist einen sandigeren Charakter mit ty-pischen Sandlinsen und Sandschichten auf. Der mittlereLambeth Group Hiatus (MLGH) trennt den oberen vomunteren Teil der LG und beinhaltet Schichtablagerungen.Der untere Teil der LG ist zumeist stark tonig. Unterhalbder Lambeth Group befindet sich die Upnor Formation(UF), die in den meisten Fällen aus Kiesen und reinenoder tonigen Sanden besteht und stark durchlässig ist. Da-runter folgt Thanet Sand (TS), welcher meist homogen ausdichten bis sehr dichten feinkörnigen, schluffigen Sandenbesteht. Die zuvor beschriebenen Formationen befindensich oberhalb der Chalk Group (CG), die eine Mächtigkeitvon 180 m erreicht und als weiche bis mittelfeste, weiß bisweißgraue, homogene Kalksteinschicht charakterisiertwerden kann. Die Stetigkeit der Schichtenfolge im Londo-ner Becken wird in verschiedenen Gebieten durch Stör -zonen und lokale Ungleichmäßigkeiten unterbrochen. AufSeiten der Hydrogeologie sind zwei getrennte Aquifer zu



forcement grade of new SCL tunnels with complex geom-etry and critical components like junctions, escalator bar-rels and over bridges.

The Mohr-Coulomb constitutive model is implement-ed in the DSP modelling approach for London projects.Soil stiffness is calculated at reasonable strain levels, andthe overall sensitivity of the model to varying parametersis identified through parametric analyses. Typically inLondon projects this includes the simulation of drainedand undrained conditions with appropriate configurationof the LC parameters as presented exemplarily in Table 1above. Excavation is simulated mostly full face, and inparts where more detail as a temporary invert or side driftswas required, the excavation is divided according to thesesequences. The stepwise construction progress is also sim-ulated appropriately. Modelling of the existing structurestakes place prior to modelling the SCL staged excavationand it follows a wished-in-place approach with a preced-ing stiffness reduction. The linings are simulated as shellelements, and both linear-elastic and non-linear modelsfor concrete are implemented. Non-linear material behav-iour of concrete is simulated through the Concrete Dam-aged Plasticity constitutive model [3], in order to captureconcrete’s post-cracking residual capacity.

In some of the projects involving simpler geometries,as for example in the Crossrail’s design check in order to (a) provide a conservative assessment for the tunnel linings, and (b) adhere to the time and budget constraintsof the project, the individual excavation steps were notmodelled, and instead a “wished-in-place” approach wasselected. This means that the analysis stages correspondto generic construction stages, and the excavation and lining installation is simulated for an entire part of thestructure.

verzeichnen. Der höher gelegene Aquifer befindet sichoberhalb der London Clay-Schicht, während der tiefergele-gene Aquifer in den UF, TS und CK Schichten liegt. An ei-nigen Stellen kann darüber hinaus ein dazwischen liegen-der Aquifer im sandigen Teil der Lambeth Group identifi-ziert werden.

Zur Beschreibung der mechanischen Eigenschaftendes im Bereich des Londoner Beckens anstehenden Bau-grunds sind in Tabelle 1 die geotechnischen Eigenschaftenaus den Schichtprofilen des Bond Street Station UpgradeProjects [7] dargestellt.

3 Analyse-Ansätze

Im Rahmen der komplexen Londoner U-Bahn Projekte, indenen neue Tunnelsysteme geplant werden, deren Ein-fluss auf die vorhandene Bebauung von großer Bedeutungist, wird zunehmend sowohl auf Auftraggeber- als auch aufAuftragnehmerseite auf umfassende 3D-Analyseverfahrenzurückgegriffen. Eine vollständig dreidimensionale Analy-se verfolgt die folgenden drei Hauptziele: (1) möglichstexakte Berechnung der Verformungen und Setzungen alsFolge aller Tunnelarbeiten, (2) Untersuchung der sich inder bestehenden Bebauung ergebenen Zusatzspannungaus benachbarten Tunnelarbeiten, und (3) Dimensionie-rung der Dicke und des Bewehrungsgrads der neuenSpritzbeton-Tunnelschale unter Berücksichtigung komple-xer Geometrien und kritischer Komponenten wie Ver-zweigungen, Rolltreppenschächte und Überbrückungen.

Für den Modellierungs-Ansatz der Londoner Projektewird von DSP das Mohr-Coulomb Konstitutivgesetz ver-wendet. Dazu wird die Bodensteifigkeit bei Spannungszu-stand berechnet und die Parametersensitivität mithilfe einer Parameterstudie ermittelt. Üblicherweise umfasst

Table 1. Geotechnical parameters as assumed in the tunnel design of the Bond Street Station UpgradeProject (note z*: depth from top of the LC stratum)Tabelle 1. Typische geotechnische Parameter am Beispiel des Bond Street Station Upgrade Project (z*: Tiefe von der Oberseite der London Clay-Schicht)

Soil Properties Units Made Terrace London London LambethGround Gravels Clay A3 Clay A2 Group

Young’s Modulus(undrained)

[MPa] – – 40 + 3.5z* 75 + 1.25z* 125

Young’s Modulus(drained)

[MPa] 10 50 32 + 2.8z* 60 + 1z* 100

Poisson’s Ratio(undrained)

[–] – – 0.45 0.45 0.45

Poisson’s Ratio(drained)

[–] 0.3 0.3 0.2 0.2 0.2

Friction Angle [o] 30 40 24 26 28

Cohesion [kPa] 0 0 5 10 10

Undrained ShearStrength

[Kpa] – – 80 + 7z* 150 + 2.5z* 250

Unit Weight [MN/m3] 0.019 0.02 0.02 0.02 0.021

Ko-Value [–] 0.53 0.38 1.2 1.2 1.2



4 Case histories – London Underground Upgrade4.1 Green Park Station Upgrade (step free access)

The Green Park Tube Station was first opened in 1906and is situated on the north side of Green Park in centralLondon. The station serves as an interchange between thePiccadilly, Victoria and Jubilee Lines and was considereda key station for the 2012 Olympic Games [10]. The pur-pose of the project at Green Park was to provide the sta-tion with SFA between street level and all operational plat-forms via a new ticket hall extension and lift system. Dur-ing the tunnelling works, particular attention was paid onthe preservation of the station facilities, as for example theheavy-duty escalators and the rail lines. These escalatorsare designed for intense usage, yet their maintenance pro-cedures are laborious and, in case of malfunction and/orclosure of those, severe disruption to traffic and a signifi-cant loss of income to the operators would be anticipated.Additional surface settlement analysis aimed to preventdamage to existing buildings as for example the Ritz Hotelin close proximity.

DSP provided design services and site-supervision forthe SCL works (primary and secondary lining) to the de-sign-build Capita Symonds – Joseph Gallagher Ltd. in acontract awarded by Tube Lines, the company responsiblefor the infrastructure maintenance on the Jubilee, North-ern and Piccadilly lines. In particular the design includedan ellipsoidal 26 m deep SCL lift-shaft with a breakoutstub tunnel (7.7 m × 11.1 m) from the lower section of theshaft forming new lobby space and providing connectionsto existing parts of the station. A full non-linear staged 3DFEA model was developed, with the aim – beyond the con-struction optimization and the structural dimensioning –to capture the impacts of construction to adjacent struc-tures alongside an appropriately designed monitoring sys-tem. The new SCL and cast-in-situ concrete undergroundstructures, as well as pre-existing cast iron tunnels weremodelled in detail as discussed in the previous section.The overall deviation between numerically estimated de-formations and monitored values lied typically within therange of ± 2 mm and deformation stayed within accept-able limits with respect to the impacts on neighbouringstructures, as discussed in detail in [4] [5] [6].

4.2 Bond Street Station Upgrade

Based on current usage level and traffic studies, LondonUnderground needs to upgrade Bond Street station(BSSUP) in order to provide capacity increase, enhancedpassenger flow, and access to the existing platform tunnels(i.e. Jubilee Line and Central Line) and the prospectiveCrossrail Station. To achieve this goal, a number of addi-tional tunnels will be built and connected to the existingtube system including 2 access shafts, one lift shaft, 4 con-struction adits, 2 binocular cross passage tunnels, 4 largeconcourse and connection chambers, 3 underpass tun-nels, 2 over-bridge tunnels cutting through existing plat-form tunnels, 2 niches for electrical and mechanical equip-ment and 4 inclined tunnels for escalator barrels and stair-cases. This challenging design makes BSSUP one of themost complex tunnelling projects in the UK. The totallength of tunnels amounts to approximately 450 m with

dies in den Londoner Projekten die Simulation dränierterund undränierter Bedingungen mit einem adäquaten Para-metersatz der London Clay-Parameter, wie er beispielhaftin Tabelle 1 dargestellt ist. Der Aushub wird zumeist überdie volle Ortsbrust simuliert. In Bereichen, in denen einedetaillierte Modellierung, z. B. durch Einbringen einertemporären Sohle oder eines Seitenstollens, erforderlichist, wird der Aushubprozess analog zu diesen Prozessenunterteilt und modelliert. Der phasenweise voranschrei-tende Baufortschritt wird ebenfalls entsprechend simu-liert. Die Modellierung der Bestandsbebauung findet zeit-lich vor der Modellierung des SCL Ausbruchs statt undfolgt dabei einem WIP-Modellierungsansatz (wished-in-place), der von einer vorherigen Reduzierung der Steifig-keit ausgeht. Die Tunnelschale wird mithilfe von Schalen-elementen modelliert, für welche sowohl linear-elastischeals auch nicht-lineare Modelle implementiert sind, die dasMaterialverhalten des Betons abbilden. Dabei wird dasnicht-lineare Materialverhalten des Betons mittels desConcrete Damaged Plasticity Materialgesetzes beschrie-ben [3], um damit die residualen Kapazitäten des Betonsnach der Rissbildung erfassen zu können.

In einigen Projekten mit einfacheren Geometrienkonnte auf die detaillierte Modellierung der einzelnenAushubschritte verzichtet werden und stattdessen auf ei-nen WIP-Ansatz zurück gegriffen werden. Das bedeutet,dass die Analysephasen zu den spezifischen Bauphasenkorrespondieren und Aushub und Ausbau für einen gan-zen Abschnitt der Struktur modelliert werden. Dies warz. B. bei der Entwurfsüberprüfung der Crossrail-Linien derFall und diente neben einer konservativen Bemessung desTunnelausbaus vor allem einer zeit- und kostengünstigenProjektrealisierung.

4 Fallbeispiele – Umbau und Erweiterung der Londonder U-Bahn

4.1 Umbau Green Park Station (barrierefreier Zugang)

Die erstmals 1906 eröffnete U-Bahn-Station Green Parkbefindet sich auf der nördlichen Seite des Green Parks imZentrum Londons und dient als Knotenpunkt der LinienPiccadilly, Victoria und Jubilee. Im Rahmen der 2012 statt-findenden olympischen Spiele spielte sie eine zentraleRolle [10]. Ziel des Projekts an der Green Park Station war es daher durch die Erneuerung der Schalterhalle unddie Installation eines Fahrstuhls den barrierefreien Zu-gangs vom Straßenniveau zu allen Bahnsteige zu gewähr-leisten.

Während der Tunnelarbeiten lag besonderes Augen-merk auf der Aufrechterhaltung des Betriebs der vorhan-denen Stations-Anlagen wie der Hochleistungs-Rolltrep-pen und den Gleisanlagen. Das Rolltreppensystem ist füreine hochfrequente Nutzung ausgelegt. Wartungsarbeitensind daher aufwändig und führen im Fall einer Störungoder Außerbetriebnahme zu erheblichen Störungen desVerkehrs und damit verbunden zu einem signifikantenUmsatzverlust der Betreiber. Darüber hinaus zielten zu-sätzliche Messungen der Oberflächensetzungen darauf ab,Schäden an der benachbarten Bebauung wie dem RitzHotel zu verhindern.

DSP führte Planungs- sowie Baustellenüberwa-chungs-Aufgaben für den Generalunternehmer Capita



tunnel widths ranging from 4 to 12 m. The project is ofparticular complexity, due to the fact that the new tunnelsare developed through a dense web of existing tunnels butalso within a quite congested area with several significantbuildings in proximity. Therefore, very strict limitationsapply on tunnelling induced deformations. By the end of2012 the design of the primary and secondary linings hasbeen carried out and delivered from a preliminarily to adetailed design in the framework of a design-built con-tract, where design was headed by the Atkins-Halcrow JV

Symonds – Joseph Gallagher Ltd. aus, die vertraglich vonTube Lines, dem Betreiber der Jubilee, Northern und Pic-cadilly Line, vergeben wurden. Genauer betrachtet um-fasste die Planung einen elliptischen, 26 m tiefen Aufzugs-schacht in Spritzbeton-Bauweise mit einem Tunnelstutzen(7,7 m × 11,1 m) im unteren Bereich des Schachts, welcherder Schaffung zusätzlichen Raums in der Stationshalleund der Herstellung von Verbindungen zu bestehendenBereichen der U-Bahn dienen soll. Zur Erfassung der Aus-wirkungen der Baumaßnahmen auf angrenzende Tragwer-ke und zur gleichzeitigen Installation eines adäquaten Mo-nitoring-Systems wurde ein vollständig nicht-lineares 3D-FE-Modell entwickelt. Die neu herzustellenden Spritzbe-ton- sowie Ortbetontragwerke wurden wie im vorherigenAbschnitt beschrieben modelliert, ebenso wie die beste-henden Gusseisen-Tunnel. Die Abweichung zwischen nu-merisch ermittelten Deformationen und den gemessenenWerten lag in der Regel bei ± 2 mm, wobei die Deforma-tionen stets innerhalb der für die Nachbarbebauung zuläs-sigen Grenzen lagen (Details siehe [4] [5] [6]).

4.2 Bond Street Station Upgrade

Aufgrund des aktuellen Ausnutzungsgrads und vorliegen-der Verkehrsstudien muss London Underground die Stati-on Bond Street ausbauen, um so eine Erhöhung der Kapa-zitäten, eine Verbesserung des Passagierstroms und Zu-gang zu den bereits bestehenden (Jubilee Line und CentralLine) und zukünftigen Bahnsteigen (Crossrail Station) er-zielen zu können. Um dieses Ziel zu erreichen, wird eineAnzahl weiterer Tunnel gebaut und an das bestehendeRöhrensystem angeschlossen. Hierzu zählen zwei Zu-gangssschächte, ein Aufzugsschacht, vier bauzeitliche Zu-gangsschächte, zwei doppelröhrige Verbindungs-Quer -stollen, vier große Stationshallen mit Verbindungshallen,drei Unterführungstunnel, zwei Überbrückungen, die be-stehende Bahnsteige durchqueren, sowie zwei Nischen fürmechanische und elektrische Ausrüstung und vier geneig-te Tunnel für Rolltreppen- und Treppenschächte. DieseHerausforderung macht dieses Vorhaben zu einem derkomplexesten Tunnelprojekte in Großbritannien. Die Ge-samttunnellänge beträgt ca. 450 m mit Tunneldurchmes-sern zwischen 4 und 12 m. Eine besondere Komplexitäterlangt das Projekt dabei durch die Tatsache, dass die neu-en Tunnel zum einen durch ein Netz aus bereits existie-renden Tunnel hindurch geführt und in dieses integriertwerden müssen und zum anderen in einem Bereich mithoher Verkehrsdichte und bedeutender Bebauung im na-hen Umfeld gebaut werden. Aus diesem Grund unterlie-gen die tunnelbau-induzierten Verformung strengen Be-grenzungen. Im Rahmen des Generalunternehmer-Ver-trags (Planung: Atkins-Halcrow JV, Bau: Costain – LaingO’Rourke JV (CoLOR)) wurde bis Ende 2012 die Bemes-sung der Tunnelinnen- und Tunnelaußenschale durchge-führt und von einer vorläufigen in eine detaillierte Ent-wurfsplanung überführt. Zusätzlich zu einer Reihe 2D-Analysen, die im Zuge der Entwurfsplanung durchgeführtwurden, war aufgrund der Komplexität des Projekts eineumfangreiche 3D-Analyse notwendig, welche die einzel-nen Bauphasen berücksichtigt. Bedingt durch die Größedes Projekts war es nicht möglich alle Tunnel in einemeinzigen 3D-FE-Modell abzubilden. Daher wurden, wie in

Fig. 1. Top: FE-Modelling of existing tunnels (blue andgreen) and new SCL tunnels in the Bond Street Station Up-grade. Middle, Bottom: Geometry of new and existing struc-tures in the green and yellow marked parts of the modelsBild 1. Oben: Modellierung bestehender Tunnel (blaue undgrüne Komponente) und neuer Spritzbetontunnelbauwerkevom Bond Street Station Upgrade. Mitte, Unten: Geometrievon neuen und bestehenden Tunneltragwerken derentsprechenden grün und gelb markierten Teile oben



and construction is taken over by the Costain – LaingO’Rourke JV (CoLOR).

In addition to a series of 2D analyses carried out inthe preliminarily design, a comprehensive stepwise 3Danalysis was inevitable due to the complexity of BSSUP.Due to the large extent of project, a single 3D-FE modelincluding all tunnels was not feasible. Therefore 3 sepa-rate FE models were created as depicted in Fig. 1, with ap-proximately 600,000 to 1,000000 elements each. Watertable stands 6 m below ground surface. The majority ofthe SCL tunnels are located within the London Clay stra-tum with a very low permeability. Therefore undrainedsoil parameters are considered for the analysis of tunnelexcavation stages and the primary lining installation. Thetypical tunnel support in this project consists of primaryand final linings comprising sprayed steel fibre reinforcedconcrete (SFRC). The primary lining is designed to carrytemporary loads only and the final lining to sustain thelong term loads including water pressure, assuming thatthe primary lining deteriorates in time and there is noload sharing between them.

4.3 Tottenham Court Road Station Upgrade

Tottenham Court Road (TCR) Station in Central Londonis upgraded to provide step-free access from the street lev-el to all platforms and interchanges via the enlarged andnew ticket halls; additional access points were designed tothe Northern and Central Line platforms to (a) relievecongestion and (b) to provide connections to the TCRCrossrail Station. The winning tender for this designscheme was made by the joint venture (JV) of TaylorWoodrow and BAM Nuttall as contractors, and Halcrowwith DSP in the design and site-supervision of the SCLstructures with a total length of 380 m.

Tunnel diameters vary between 4.0 m for cross pas-sages and 11.0 m for the Northern Line Concourse Tun-nel. Multiple transitions and interfaces to existing LUstructures sought a challenging design and constructionscheme under the busy streets of central London. The ini-tial SCL construction method and design of tunnels werechanged after the contract was awarded replacing wire-mesh and lattice girders with SFRC. One of the most im-portant additional changes was the replacement of theoriginal timber-propping/square works design of two over-bridges (a cross passage passing over a platform tunnelwith partial removal of the platform tunnel) with an SCLstructure (Fig. 2). This is the first time in the UK that over-bridges have been constructed in SCL. This change in theoverbridge design provided a significant saving in cost and7 weeks for the construction program, and was a highlysuccessful value engineering exercise.

DSP performed a three dimensional finite elementanalysis to support the over-bridges design, as well as theimpact assessment of the over-bridge on adjacent existingstructures, i.e. central line platform tunnels, existing mid-level sewer and existing Post Office Tunnel (Fig. 3). Forthe described layout, the ground was modelled using740,000 linear tetrahedral elements and sprayed concretelinings were modelled using 40,000 linear shell elements,while undrained soil parameters were taken for the analy-sis in order to account for the “fast” construction in com-

Bild 1 dargestellt, drei separate FE-Modelle mit je 600.000bis 1.000.000 Elementen erstellt. Der Grundwasserspiegelliegt bei 6 m unter Geländeoberkante. Die Mehrheit derim Spritzbeton-Verfahren hergestellten Tunnel befindensich innerhalb der London Clay-Schicht mit sehr geringerPermeabilität, was eine Berechnung der Tunnelausbruch-schritte und Einbringung der Tunnelinnenschale mit un-dränierten Bodenparametern bedingt. Der für das Projekttypische Tunnelausbau besteht aus einer Tunnelinnen-und -außenschale aus stahlfaserverstärktem Spritzbeton(SFRC). Während die äußere Tunnelschale lediglich tem-poräre Lasten während der Bauzeit aufnimmt, trägt die in-nere Tunnelschale die Langzeitlasten einschließlich desauftretenden Wasserdrucks, unter der Annahme, dass dieäußere Schale mit der Zeit ihre Tragfähigkeit verliert undkeine Lastumlagerung zwischen den Schalen stattfindet.

4.3 Umbau Tottenham Court Road Station

Um den Zugang von der Straßenoberfläche zu allen Bahn-steigen sowie den Wechsel zwischen den Bahnsteigen bar-rierefrei gestalten zu können, wird die Station TottenhamCourt Road (TCR) umgebaut bzw. erweitert. Neben derVergrößerung der alten und Schaffung neuer Schalter -hallen werden dabei auch zusätzliche Zugangspunkte zurNorthern und Central Line geschaffen, um so (a) vorhan-dene Engpässe zu entlasten und (b) Verbindungen zurneuen TCR Crossrail Station zu schaffen. Bei der Aus-schreibung erhielten das Joint Venture (JV) Taylor Woo-drow und BAM Nuttall den Zuschlag als Auftragnehmerund Halcrow mit DSP den Zuschlag für die Planung undBauüberwachung der in Spritzbeton-Bauweise hergestell-ten Tunnel mit einer Gesamtlänge von 380 m und Tunnel-durchmessern der Querstollen von ca. 4 m bzw. desNorth ern Line Concourse Tunnels von 11 m. Bedingtdurch die vielen Durchquerungen und Berührungspunktemit bestehenden U-Bahn-Bauwerken unterhalb der ver-kehrsreichen Straßen Londons war eine anspruchsvollePlanung und Bauausführung notwendig. Die ursprüng -liche Spritzbeton-Bauweise wurde nach Auftragsvergabenoch einmal verändert. So wurde anstatt der geplantenMattenbewehrung und Gitterträger stahlfaserverstärkterSpritzbeton verwendet. Eine der wichtigsten nachträg -lichen Änderungen war der Austausch zweier ursprünglichgeplanter holz-ausgesteifter Fachwerküberbrückungen (ei-ne Überbrückung eines Bahnsteigtunnels unter teilweiserEntfernung des Bahnsteigtunnels) durch ein Spritzbeton-Tragwerk (Bild 2). Dies ist das erste Mal in Großbritan-nien, dass eine solche Überbrückung in Spritzbeton-Bau-weise hergestellt wird. Durch die Änderung der Bauweisefür die Überbrückung konnten so in erheblichem MaßKosten und Zeit (7 Wochen) gespart werden. Darüber hinaus stellt diese Lösung eine höchst erfolgreich durch-geführte Ingenieurleistung dar.

Zur Unterstützung der Überbrückungs-Planung undBewertung der Auswirkungen der Bautätigkeiten auf an-grenzende Tragwerke wie den Central Line Bahnsteig, einen Abwasserkanal sowie einen Posttunnel (Bild 3)führte DSP eine dreidimensionale FE-Analyse durch. Umdie beschriebene Anordnung zu modellieren, wurde einModell mit 740.000 linearen Tetraeder-Elementen und40.000 linearen Scheiben-Elementen zur Abbildung der



Fig. 2. Primary lining of the over-bridge after completion of the SCL worksBild 2. Spritzbetonaußenschale nach Fertigstellung der Überbrückung

Fig. 3. 3D FE model of the Central line SCL overbridge including the existing and new structuresBild 3. 3D-FE-Modell der Überbrückung einschließlich bestehender und neuer Strukturen

Fig. 4. Platform tunnel deformations at the over-bridge axisBild 4. Bahnsteig-Tunnel-Verformungen an der Achse der Überbrückung

(a) Monitoring data (b) Nonlinear 3D model predictions at various stages from stage A to the last stage E(a) Überwachungsdaten (b) Nichtlineare 3D-Modellvorhersagen in verschiedenen Bauphasen (Stufe A bis

Endstufe E)



parison with the time of consolidation in LC. Construc-tion of the primary lining was completed in summer 2012and the monitored displacements in the two platform tun-nels showed a good conformity with the 3D model predic-tions as shown in Fig. 4, not triggering any impact on theoperation of the LU Central Line.

5 Case histories – Crossrail5.1 Farringdon Station

Farringdon Station will be the only one among the eightCrossrail interchange stations in London that provides ac-cess to all three rail networks of London (i.e. Crossrail,London Underground, and the National Rail) making itone of the busiest train hubs in the UK. This Crossrail sta-tion comprises 2 ticket halls, a lift shaft, passage connec-tion to Thameslink, 2 Escalator barrels, 2 concourse tun-nels, 11 cross passages, 2 ventilation adits and two 300 mlong Platform Tunnels.

The Crossrail Farringdon Station is a deep level sta-tion with two platform tunnels stretching between the ex-isting London Underground Farringdon and BarbicanStations at a depth of approximately 30 m below street lev-el. The contractor, Bam-Ferrovial-Kier JV (BFK), wasawarded the construction contract (C435) for the mainconstruction works at Farringdon station by CrossrailLimited (CRL) in November 2011. SCL tunnels mainly dri-ve through the border of LG and TS layers with overlyingstrata of LC, RT and MG formations. In addition, the tec-tonised region (4 normal and reverse faults perpendicularto the station) and sporadic confined sand lenses andchannels – potentially with high water pressure – makeground conditions for tunnelling in this region rather chal-lenging. DSP has been appointed by BFK to provide thedesign support for all the temporary SCL works such asdepressurization, excavation sequences, or tool box items,within the Crossrail integrated design process. The stationlies underneath buildings with poor structural conditionssuch as the Lindsey Bridge. 3D non-linear FEA divided in-to 3 large models were employed to cover the whole SCLstation structure, assessing the ground movements, facestability, structural design and excavation sequences. Fig.5 illustrates the model boundaries and the excavation se-quences cuts in the model of the West Ticket Hall and ad-jacent SCL structures.

5.2 Limmo Auxiliary Shaft

The Limmo Auxiliary Shaft forms part of contract C305awarded to the Dragados-Sisk JV covering the eastern sec-tion of the Crossrail running tunnels between VictoriaDock Portal to the Eastern end of Farringdon Station, andfrom Stepney Green Shaft to the Pudding Mill Lane Por-tal. These tunnel drives comprise approximately 11.95 kmof twin bored tunnels and a number of structures to bebuilt using Sprayed Concrete Lining (SCL), for which DSPprovided design, supervision, and construction manage-ment services. The Limmo Auxiliary Shaft is a 27 m inter-nal free diameter and 37.8 m deep structure intended toprovide direct temporary access to the Crossrail tunnelalignment where four openings allow TBM drives to enterand exit the shaft. It has a top section of sheet-piling (to a

Spritzbetonhülle verwendet. Für die Simulierung der ver-glichen mit der Konsolidierungszeit von London Clay„schnellen“ Bauzeit wurden undränierte Bodenparameterverwendet.

Die Tunnelinnenschale wurde im Sommer 2012 fertiggestellt. Die gemessenen Verschiebungen in den beidenBahnsteigtunneln wiesen eine gute Überstimmung mitden in der 3D-Analyse ermittelten Werten (Bild 4) auf, sodass keine Auswirkungen auf den Betrieb der LU CentralLine zu verzeichnen waren.

5 Fallbeispiel – Crossrail5.1 Farringdon Station

Die Farringdon Station wird die einzige unter den achtUmsteigestationen der Crossrail Linie sein, die Zugang zuallen drei Bahnnetzen (Crossrail, London Underground,und National Rail) in London ermöglicht. Hieraus ergibtsich seine Rolle als eines der verkehrsreichsten Drehkreu-ze Großbritanniens. Er umfasst neben zwei Schalterhalleneinen Aufzugsschacht, einen Durchgang zum Thameslink,zwei Rolltreppenschächte, zwei Stationshallen-Tunnel, elfQuerstollen, zwei Lüftungsschächte sowie zwei 300 m lan-ge Bahnsteig-Tunnel.

Die Crossrail Farringdon Station ist eine tiefgelegeneStation bestehend aus zwei Bahnsteig-Tunneln, die sichzwischen der bestehenden London Underground StationFarringdon und den Barbican Stationen, in einer Tiefevon ca. 30 m unter Straßenniveau erstrecken. Der Auftrag-nehmer, BAM-Ferrovial-Kier JV (BFK), erhielt den Zu-schlag für den Bauvertrag (C435) von Crossrail Limited(CRL) für die Hauptbauarbeiten an der Farringdon Stati-on im November 2011. Die in Spritzbeton-Bauweise her-zustellenden Tunnel durchörtern hauptsächlich die Gren-ze zwischen LG und TS Schicht mit den darüber liegen-den LC, RT und MG Schichten. Darüber hinaus machendie tektonischen Störzonen (vier normale und inverseStörzonen senkrecht zum Stationsbauwerk) und gelegent-lich auftretende Sandlinsen und -schichten mit teilweisehohen Wasserdrücken die Baugrundverhältnisse zu einerHerausforderung. DSP wurde von BFK beauftragt, die Pla-nung der im Rahmen des ganzheitlichen Entwurfprozes-ses anfallenden Spritzbetonarbeiten wie Druckabbau so-wie die Planung der Abfolge der Abbauphasen und desnotwendigen Werkzeugs unterstützend zu begleiten. DieStation befindet sich unterhalb bestehender Tragwerke,welche sich in einem schlechten baulichen Zustand befin-den. Zur Bewertung der Bodenbewegungen, der Ortsbrust-stabilität, der Baustatik sowie der Abfolge der Abbaupha-sen, wurde eine in drei große Modelle unterteilte FE-Ana-lyse der gesamten Bauwerksstruktur durchgeführt. Bild 5zeigt die Modellgrenzen und Abbau-Sequenzen im Modellfür die West Ticket Hall sowie die angrenzenden Spritzbe-tontunneltragwerke.

5.2 Limmo-Hilfsschacht

Der Limmo-Hilfsschacht ist Teil des Auftrags C305, der anDragados-Sisk JV vergeben wurde, und den östlichen Tun-nelabschnitt der Crossrail Linie zwischen Victoria DockPortal und dem östlichen Ende der Farringdon Station so-wie vom Stepney Green Schacht zum Pudding Mill Lane



depth of 17 m, meeting the London Clay stratum) and alower SCL section (another 24 m deep) leading to the SCLLaunch adits and backshunt stub tunnels, which had beenthe focus of the design. This structure was decided on analternative of the twin shafts originally envisaged at thisvery location in the final design in order to facilitate:– increased flexibility for the Drives Y/G construction,– facilitate the swift assembly of the TBMs by combining

the use of Limmo main shaft and the auxiliary shaft, – optimisation of the SCL works and early TBM launch,

Portal abdeckt. Die Tunnelstrecke umfasst ca. 11,95 kmdoppelröhrige Tunnel sowie eine Anzahl von Tragwerken,die in Spritzbeton-Bauweise (SCL) herzustellen sind. Fürdiese machte DSP die Planung, Überwachung und Bau -leitung. Der eigentliche Limmo-Hilfsschacht hat einenDurchmesser von 27 m und ist 37,8 m tief. Er dient demtemporären Direktzugang zur Crossrail Tunneltrasse, wovier Öffnungen die Ein- und Ausfahrt der TBMs in dieSchächte ermöglichen. Im oberen Bereich bis zu einer Tie-fe von 17 m, in der sich die London Clay-Schicht erstreckt,

Fig. 5. 3D FE model of West Ticket Hall and the fault zoneBild 5. 3D FE-Modell einschließlich der West Ticket Hall und der Störungszone

(a) Model boundary and subsoil layers (b) Longitudinal cut through the tunnels(a) Modellrandgeometrie und Bodenschichtung (b) Längsschnitt durch die Tunnelbauwerke

(a)

(b)



– diminishing the programme risk for the TBM and pro-gram recovery of TBM drives to the Canary Wharf box.

The design of the SCL shaft and the impact assessment onadjacent existing structures were based on a three dimen-sional finite element analysis. Critical existing structuresincluded the Limmo main shaft and the Docklands Light-Railway (DLR) both at a distance of approximately two di-ameters, and the existing gas main at a distance of roughly20 m from the excavation. The ground was modelled us-

wurde der Schacht in Spundwand-Bauweise ausgeführt.Darunter schließt der in Spritz beton-Bauweise hergestellteBereich des Schachts an, der bis in die Start- und Zielbe-reiche der TBMs führt, die im Fokus der Planung standen.Dieses Tragwerk wurde als Alternative zu einem ursprüng-lich an gleicher Stelle geplanten Doppelschacht gewählt,um folgende Aspekte zu ermög lichen:– erhöhte Flexibilität beim Aufbau der TBMs,– zügiger Aufbau der TBMs durch kombinierte Nutzung

des Limmo-Haupt und Hilfsschachts,

Fig. 6. Overview of the 3D FE model for Limmo ShaftBild 6. Übersicht des 3D-FE-Modells für den Limmo-Hilfsschacht

Fig. 7. Limmo Auxiliary Shaft – rebar strain measurement at axis level of Eastbound tunnel/West (green trigger is the unfactored value predicted in the FE analysis)Bild 7. Limmo-Hilfsschacht – Bewehrungs-Dehnungsmessung am Niveau des Eastbound Tunnels/West (der grüne Warn-wert ist die beiwertfreie Prognostizierung mittels nichtlinearer FE-Analyse)



ing 75,000 second-order tetrahedral elements and sprayedconcrete linings were modelled using 11,000 second-ordertriangular shell elements (Fig. 6). The model proved tohave yielded a good prediction of the breakouts’ structuralbehaviour and combined with an engineered monitoringand action-trigger scheme it provided an optimum struc-tural assessment and design illustrated in Fig. 7.

5.3 Category 3 Independent Design Check

All SCL structures of Crossrail are seen as Category 3structures in the UK classification system. Category 3 rep-resents infrastructure with the highest risk elements mean-ing that the highest level of checking effort needs to be un-dertaken [7] [8]. That is a fully independent calculation ofthe structural lining, a thorough review of the proposedconstruction procedures (excavation sequence) and a re-view of material and workmanship specifications. Thisprocedure leads to a substantial refinement and increasedconfidence for the design. On Crossrail, all SCL designhas been performed by Mott-MacDonald under the con-tract C121 in the period 2009–2011. The designs to be cer-tified with a Category 3 Independent Design Check (here-after C3IDC) are not only the final design packages, but al-so temporary works and changes performed in later stagesincluding the contractor driven amendments (the LimmoAuxiliary Shaft is an example). The C3IDC for SCL struc-tures in Crossrail commenced in early 2011, and Mott-MacDonald assigned URS (then Scott Wilson) the role ofthe C3IDC checker. URS assembled a team of SCL spe-cialist sub-consultants such as IGT, Donaldson Associates,and DSP to check individual structures, and iC Consul-tants to provide high-level technical reviewing services.

At the time of inception of this paper DSP has carriedout the design check of the Whitechapel Station andCrossover, the Fisher Street Intervention-Ventilation Shaftand Crossover, and two wraparound structures in BondStreet Station. DSP also prepared the structural calcula-tions as a basis for the check of typical Bond Street Sta-tion and Liverpool Street Station junctions. A substantialpart of the design check was the review of the design andconstruction approaches, the waterproofing system anddetails, and the risk assessments. Beyond that, structuralchecks of both the primary and the secondary support areperformed at critical parts of the above mentioned struc-tures. The analyses where typically based on 2D stagedmodels, while 3D modelling was implemented for the de-

– Optimierung der Spritzbetontunneltunnelarbeiten undfrühzeitiger TBM-Start,

– Zeitersparnis für die TBM Richtung Canary Wharf Box,Verringerung des Risikos der Nichteinhaltung des Bau-programms.

Die Planung des Spritzbeton-Schachts sowie die Bewer-tung der Bauauswirkungen auf bestehende Nachbarbe-bauung wurden unter Zuhilfenahme einer dreidimensio-nalen FE-Analyse durchgeführt. Als kritische Bestand-stragwerke waren dabei der Limmo-Hauptschacht, dieDocklands Light-Railway (DLR) Regionalbahnstrecke(beide in einem Abstand von ca. dem zweifachen Tunnel-durchmesser) sowie eine in ca. 20 m Entfernung befind -liche Hauptgasleitung. Der Untergrund wurde mit 75.000Tetraederelementen zweiter Ordnung und der Spritz -betonausbau mit 11.000 dreieckförmigen Schalenelemen-ten, ebenfalls zweiter Ordnung, modelliert (Bild 6). Eskonnte gezeigt werden, dass mithilfe des Modells gute Vor-hersagen zum Tragwerksverhalten des Zielschachts getrof-fen werden können. In Kombination mit ingenieurmäßi-ger Vermessung und einem Action-Trigger Scheme konnteso eine optimale Tragwerksprüfung und -planung durch-geführt werden (Bild 7).

5.3 Category 3 – Unabhängige Bauplanungsprüfung

Alle im Crossrail Projekt enthaltenen Spritzbetontragwer-ke fallen in die Kategorie 3 des britischen Klassifizierungs-systems für Bauten. Kategorie 3 umfasst Tragwerke mitdem höchsten Risiko, was zur Folge hat, dass das größteMaß an Prüfungen unternommen werden muss. Hiermitist eine vollständig unabhängige Berechnung der Statik, ei-ne gründliche Nachprüfung der vorgeschlagenen Bauab-läufe (Abfolge des Ausbruchs) sowie eine Prüfung allerMaterialen- und Ausführungsspezifikationen gemeint. ImRahmen des Crossrail Projekts wurden alle Spritzbeton -arbeiten von Mott-MacDonald im Rahmen des C121-Ver-trags zwischen 2009 und 2011 durchgeführt. Die durch ei-nen Category 3 Independent Design Check (C3IDC) zuzertifizierenden Bauten sind nicht nur die im finalen Pla-nungspaket enthaltenen Tragwerke sondern darüber hi-naus auch temporäre Arbeiten sowie alle in späteren Bau-abschnitten durchgeführten Änderung, so auch alle vomAuftragnehmer geplante Abänderungen, z. B. der Limmo-Hilfsschacht. Die Prüfung der Spritzbetontunneltragwerkeim Rahmen des C3IDC beim Crossrail Projekt begannenAnfang 2011. URS (ehemals Scott Wilson) wurde dazuvon Mott-MacDonald zum C3IDC-Prüfer bestellt undbrachte daher ein Team von auf Spritzbetontunnel spezia-lisierter Nachunternehmer mit beratender Funktion zu-sammen, um die einzelnen Bauten zu überprüfen. Hierzuzählten IGT, Donaldson Associates und DSP. Darüber hi-naus wurde von iC consulenten eine umfassende, techni-sche Nachprüfung durchgeführt.

Bis zum Zeitpunkt der Einreichung dieses Beitragshat DSP umfangreiche Bauplanungsüberprüfungen derWhitechapel Station und des Crossovers, des FisherStreet Crossovers und Hilfs-/-Ventilationsschachtes sowiezweier Querschnittsaufweitungen an der Station BondStreet abge wickelt. Des Weiteren fertigte DSP die Sta -tiken an, die als Grundlage zur Prüfung typischer Ab-

Fig. 8. 3D FE model of Wraparound detailBild 8. 3D-FE-Modell einer Querschnittsaufweitung



sign check of specific components, i.e. breakouts/open-ings and tunnel junctions or wraparounds (e.g. Fig. 8). Al-so an advanced 2D analysis (Fig. 9) has been performedon a binocular construction. Based on these efforts, a se-ries of safety, structural, and logistic issues where identi-fied and improvements took effect after recommendationsof the design checker and in collaboration with the de-signer and occasionally the contractors.

6 Lessons learnt

In the last few years London has seen and is seeing an in-tense development in underground infrastructure to coverfor the increasing needs of the population. SCL tunnelstructures are very often a preferable solution. This paperpresents recent experiences of DSP in SCL designs in Lon-don, based on which certain conclusions emerge:– In the Green Park, Tottenham Court Road, and Limmo

projects, the contribution of advanced 3D modellingcombined with a well-engineered monitoring programproved to be vital for the deformation control and de-sign verification. Non-linear 3D FE analyses provided avery good prognosis on the impact of the constructionto the existing infrastructure. Besides, London Clay hasa relatively complicated behaviour, but based on the ver-ification of the models through monitoring and the ac-curacy of the predictions through these analyses, it ap-pears that the Mohr Coulomb model is capable of simu-lating the ground behaviour providing key informationin such projects with a reasonable accuracy. The pro-jects described above serve also as a verified referencefor future FE analyses of subsequent projects. Thisproves very useful considering that sophisticated model-ling gains in popularity with designers and clients inLondon.

– Independent design checks have become standard prac-tice for significant (Category 3) structures in the UK.Provided project scheduling allows for it, this designstrategy appears to have certain benefits, including: • increase of confidence, reduction of risk, and at the

same time allotment of fewer liabilities to more par-ties,

• confidence that the design criteria are appropriate, es-pecially if the structure or problem is innovative or un-usual, as the case may be for underground structures,

zweigungen an den Stationen Bond Street und LiverpoolStreet dient. Ein wesentlicher Teil der Bauplanungs -prüfung bestand dabei in der Überprüfung der Planungs-und Konstruktionsansätze, speziell des Wasserrückhalte-systems und weiterer Details, sowie des Risikomanage-ments. Darüber hinaus wurde eine statische Überprüfungder inneren und äußeren Tunnelschale in kritischen Be-reichen der zuvor genannten Bauwerke durchgeführt. AlsGrundlage dieser Analysen dienten in der Regel phasen-weise 2D Modelle. Aufwändige 3D-Modelle wurden fürdie Bauplanungsprüfung spezieller Komponenten wie desStart- und Zielschachts und der Tunnelabzweigungen so-wie der Querschnittsaufweitungen (Bild 8) verwendet. Ei-ne sehr anspruchsvolle 2D-Analyse (Bild 9) wurde außerdem zur genaueren Untersuchung einer zwei-röhrigen Tunnelkonstruktion verwendet. Auf Grundlagedieser Untersuchungen konnte eine Reihe von die Sicher-heit, Bauweise und Logistik betreffender Punkte heraus-gestellt und auf Empfehlung der Bauplanungsprüfer Verbesserungsmaßnahmen in Kollaboration mit den Planern und mitunter den Auftragnehmern getroffen werden.

6 Fazit

Um den Bedürfnissen einer stetig steigenden Bevölke-rungszahl gerecht zu werden, erfuhr und erfährt Londonin den letzten Jahren eine immense Entwicklung der unterirdischen Infrastruktur. Spritzbetontunnelbauwerkestellen dabei häufig eine bevorzugte Lösung dar. Im vorlie-genden Beitrag werden jüngste Erfahrungen von DSP beiSpritzbetontunnelbauwerken in London vorgestellt ausdenen sich folgende Schlussfolgerungen ergeben:– Bei der Bearbeitung der Projekte erwies sich die gleich-

zeitige Verwendung hochentwickelter 3D-Modelle undausgereifter Monitoring Programme als wesentlicherPunkt zur Verformungsüberwachung und Entwurfsveri-fizierung. Die nicht-linearen 3D FE-Analysen erzieltendabei eine sehr gute Prognose der Auswirkungen derBauarbeiten auf die bestehende Infrastruktur. AufGrundlage der Verifizierung der Modelle mithilfe derMesswerterfassung und der erzielte Genauigkeit der nu-merisch ermittelten Werte, kann trotz des komplexenBodenverhaltens des London Clays davon ausgegangenwerden, dass eine Simulation des Untergrundverhaltensmit dem Mohr-Coulomb Modell geeignet ist, um Schlüs-selinformation mit einer ausreichenden Genauigkeit zuliefern. Die oben beschriebenen Projekte dienen außer-dem als verifizierte Referenz für zukünftige FE-Analysennachfolgender Projekte. Dies erweist sich als sehr hilf-reich, wenn man bedenkt, dass eine anspruchsvolle Mo-dellierung immer mehr Zuspruch bei Londoner Auftrag-nehmer und Auftraggebern findet.

– Unabhängige Bauplanungsprüfungen sind zum Stan-dardverfahren für bedeutende (Category 3) Bauwerke inGroßbritannien geworden. Der vorgesehene Projektab-laufsplan berücksichtigt dies, was in Hinblick auf dieEntwurfsstrategie eine Reihe von Nutzen zu habenscheint; die Folgenden eingeschlossen:• Steigerung der Sicherheit sowie Risikoreduktion, ver-

bunden mit einer Aufteilung der Verantwortlichkeitauf eine größere Zahl Beteiligter,

Fig. 9. Binocular tunnel analysis FE modelBild 9. FE-Model eines zweiröhrigen Tunnels



• development in know-how in general, through sharingconcepts and experiences among the involved consul-tancies.

– In all cases described above, SCL appears to provide asuccessful solution because of the great flexibility it mayoffer as construction method. Main feature of SCLstructures is their adaptability to complex geometrieswhich are usually required in London projects, as for ex-ample short tunnels and stubs, junctions and wrap-arounds, or inclined escalator barrels that typically ap-pear in underground stations.

– London is knowably characterized by a dense web ofbuildings and some of the highest real estate values inthe world. Therefore small worksite areas may becomethe decisive factor for the choice on tunnel constructionmethod, this often being SCL tunnelling.

– Buildings – often particularly old – with a high financial,social and historical value, or significant and sensitivesubsurface utilities are located in proximity of tun-nelling works; therefore surface settlements and damagemitigation of third party assets becomes a great chal-lenge. Under these circumstances SCL construction,supported by advanced modelling predictions, providescertain advantages, since it makes possible to tailor theexcavation volumes and advance rates, while optionaltool box items for settlement mitigation are easy to applybased on on-site decisions.

References

[1] Crossrail Ltd. 2009 – Crossrail Context Report. London.[2] Crossrail Ltd. 2009 – Geotechnical Sectional Interpretative

Report 1&2: Royal Oak to Liverpool Street.[3] Dassault Systemes Simulia: ABAQUS Analysis User’s Man-

ual-V6.12, 2011.[4] Feiersinger, A.: Comparison of deformations predicted using

3D finite element analysis with deformations encounteredduring construction. Tunnels and Tunneling, August 2011, pp. 53–56.

[5] Feiersinger, A., Mitsch, T.: Deformation comparison atGreen Park. Tunneling Journal, December 2010/January2011, pp. 24–29.

[6] Feiersinger, A., Mitsch, T., Spyridis, P.: Preservation of struc-tural and functional integrity in the interaction of new andexisting structures: the case of London Underground’s GreenPark station. In: The third International Symposium on Life-Cycle Civil Engineering – IALCCE 2012 Vienna 3-6-1 Oct.2012.

[7] Final Geotechnical Interpretative Report (GIR) 2009 –Bond Street Station Upgrade Project.

[8] Firth, A.: Adding confidence and reducing risk – the role ofindependent design checking in major projects. IABSE Sym-posium, Weimar 2007, International Association for Bridgeand Structural Engineering.

[9] Low, A.: A review of 30 years use of design check proce-dures for bridges. IABSE Symposium, Weimar 2007 ,Interna-tional Association for Bridge and Structural Engineering.

[10] LU – London Underground. 2011. Our upgrade plan. Lon-don.

[11] Mayor of London: Proposals for a Mayoral Community In-frastructure Levy (CIL) Draft Charging Schedule. Mayor ofLondon, June 2011.

• Sicherheit angemessener Planungskriterien, beson-ders in Hinblick auf innovative oder seltene Verfah-ren, wie es bei unterirdischen Bauwerken der Fall seinkann,

• Generelle Know-how-Entwicklung durch gemein -same Nutzung von Konzepten und Erfahrungen in-nerhalb des Kreises der beratenden Unternehmen.

– In allen oben beschriebenen Fällen erscheint die Spritz-betontunnelbauweise aufgrund ihrer Flexibilität eine er-folgreiche Lösung. Haupteigenschaft von Spritzbeton-tunneltragwerken ist ihre Anpassbarkeit an komplexeGeometrien, wie sie in den Londoner Projekten übli-cherweise anzutreffen sind. Als Beispiel dienen hier kur-ze Tunnel und Tunnelstutzen, Verbindungstunnel undQuerschnittsaufweitungen sowie geneigte Rolltreppen-schächte, welche in U-Bahn-Stationen normalerweiseauftreten.

– London ist bekannt für sein dichtes Bebauungsnetz undeinige der höchsten Grundstückswerte der Welt. Ausdiesem Grund kann die Größe der Baustellenflächezum entscheidenden Faktor bei der Wahl der Tunnel-bauweise werden, was häufig für die Spritzbetonbau -weise spricht.

– Bauwerke von hohem finanziellem, sozialem und histo-rischem Wert oder wichtige und sensible Versorgungs-einrichtungen befinden sich in direkter Nachbarschaftder Tunnelarbeiten. Die Minimierung von Oberflächen-setzungen und Beschädigungen an VermögenswertenDritter wird daher zu einer großen Herausforderung.Unter diesen Umständen bietet die Spritzbetontunnel-bauweise, unterstützt von hochwertigen Modellvorher-sagen, einige entscheidende Vorteile, da sie es ermög-licht, Ausbruchvolumen und Abbaufortschritt anzupas-sen, während geeignete Maßnahmen zum Setzungsaus-gleich einfach auf Basis der Entscheidungen vor Ortgetroffen werden können.

Panagiotis Spyridis, Dr. Dipl. EngDr. Sauer & Partners11 Langley AvenueSurbiton, SurreyKT6 6QH,[email protected]

Ali Nasekhian, MSc., Dr. tech.Dr. Sauer & Partners11 Langley AvenueSurbiton, SurreyKT6 6QH,[email protected]

Gerald Skalla, Dipl.Ing.Managing DirectorDr. Sauer & Partners11 Langley AvenueSurbiton, SurreyKT6 6QH,[email protected]


Conference Report

41st Geomechanics Colloquium in Freiberg

Numerical computer modelling wasthe main theme of the following talks– on the modelling of a sol cavern field

in the Alpine Haselgebirge (Mr. Huberand Dr. Kellerbauer, Müller & HerethGmbH, Freilassing) and

– on basic investigations for micro -structure simulation (Frau Wagner,TU Bergakademie Freiberg).

The main subject of the next block oftalks was current large infrastructureprojects in the Alps, starting with thegeomechanical problems with the con-struction of the de Fréjus road tunnelon the borders of France and Italy (Dr.Tirpitz, Bilfinger Berger IngenieurbauGmbH, Wiesbaden) and in the construc-tion of the Gotthard Base Tunnels inthe Sedrun section (Mr. Holstein, PöyryInfra AG, Sedrun, Switzerland).

In the course of the 41st Geomechan-ics Colloquium, the Franz-Kögler prizeof the Association of Freiberg Geotech-nicians e. V. was once again awarded,the winners being – Dr.-Ing. Michael Stahl (ITASCA Con-

sultants GmbH, Gelsenkirchen) forhis dissertation (special prize) and

– Dipl.-Ing. Andreas Wenzel (TUBergakademie Freiberg) for his thesis.

With a record participation of over 200specialist colleagues, the 41st Geome-chanics Colloquium organised by theChair of Geomechanics, Rock mechan-ics/Rock Engineering at the Geotechni-cal Institute, the IfG – Institut fürGebirgsmechanik GmbH Leipzig andthe Association of Freiberg Geotechni-cians e.V. (VFG) took place on 16 No-vember 2012. The organisers of thisevent, which also celebrated 45 years of teaching of geotechnics at the TUBergakademie (Mining Academy)Freiberg, were able to welcome not onlyGerman guests but also visitors fromAustria, Switzerland, the Netherlands,Poland, Spain, Sweden and Vietnam.

The programme was organised intothree blocks of talks presenting newknowledge about the wide range of in-terests of modern rock and soil mechan-ics.

First, questions of structural safety inboundary slope coal mining in Colum-bia (Mr. Kleiterp, Caterpillar Inc.,Sliedrecht, Netherlands) and in coppermining in Kazakhstan (Mr. Schmidt,Terrasolum S. L., Santander, Spain)were discussed.

Another important theme was rockmechanics testing – on sandstones (Mr. Baumgarten,

TU Bergakademie Freiberg),– under highly dynamic loading

(Prof. Zhou, Central South University,Changsha, China) and

– under real triaxial loading conditions(Dr. Smolnik representing Prof. Kwasniewski, TU Gliwice, Poland).

Also presented were the results of stressmeasurements in the earth’s crust inconnection with geothermal projects(Mr. Klee, Mesy-Solexperts GmbH,Bochum and Dr. Vietor, Nagra, Wettingen, Switzerland).

In the block of talks about „Salt me-chanics – final storage“, the first reportconcerned detailed investigations intoemergency supply for the Asse II mine(Dr. Kamlot, IfG Leipzig). Then Mr.Breustedt (DBE GmbH, Peine) present-ed the results of calculations to forecastrock mass behaviour and support load-ing as part of the conversion of the Kon-rad mine (near Salzgitter) to a disposalsite for radioactive waste with negligibleheat development.

The event is also accompanied by asmall specialist exhibition with compa-nies in the fields of geotechnics androck mechanics, and this proved verypopular during the breaks between thetalks.

In the publications of the Geotechni-cal Institute of the TU BergakademieFreiberg (publisher: H. Konietzky), theissue 2012-1 – mostly in English – con-tains the 13 specialist talks given at theColloquium, the short article by the win-ner of the Franz-Kögler special prizeand also two contributions from doctor-ate candidates at the Chair of Geome-chanics, Rock mechanics/Rock Engi-neering relating their current researchresults.

The Colloquium issue can, as long asthe supply lasts, be obtained from thesecretariat of the Chair of Geomechan-ics. The appropriate conclusion to thisevent was offered by the evening for allparticipants in the Freiberger Brauhof.

The next Freiberg – Leipzig Geome-chanics Colloquium will take place onthe 15 November 2013 in Leipzig.

Prof. H. Konietzky, Dr. A. Hausdorf

Opening and greetings from Prof. KonietzkyEröffnung und Begrüßung durch Prof. Konietzky


Conference Report

41. Geomechanik-Kolloquium in Freiberg

gebnisse von Spannungsmessungen inder Erdkruste vorgestellt worden (HerrKlee, Mesy-Solexperts GmbH Bochumund Dr. Vietor, Nagra, Wettingen,Schweiz).

Im Vortragsblock „Salzmechanik –Endlagerung“ ist zunächst über Detail-untersuchungen zur Notfallvorsorge fürdas Bergwerk Asse II berichtet worden(Dr. Kamlot, IfG Leipzig). Anschließendstellte Herr Breustedt (DBE GmbH, Peine) Ergebnisse von Prognoseberech-nungen zum Gebirgsverhalten und zurAusbaubelastung im Zuge der Umrüs-tung des Schachtes Konrad (bei Salz -gitter) zum Endlager für radioaktive Ab-fälle mit vernachlässigbarer Wärmeent-wicklung vor.

Numerische Computerberechnungenstanden auch im Mittelpunkt der folgen-den Beiträge– zur Modellierung eines Solkavernen-

feldes im alpinen Haselgebirge (HerrHuber und Herr Dr. Kellerbauer, Müller & Hereth GmbH, Freilassing)sowie

– zu Grundlagenuntersuchungen zurMikrostruktursimulation (Frau Wag-ner, TU Bergakademie Freiberg).

Den Schwerpunkt des abschließendenVortragsblockes zu aktuellen Infrastruk-tur-Großprojekten im Alpenraum bilde-ten geomechanische Probleme beimBau des Straßentunnels de Fréjus imfranzösisch – italienischen Grenzgebiet(Dr. Tirpitz, Bilfinger Berger Ingenieur-bau GmbH, Wiesbaden) sowie beim Baudes Gotthard-Basistunnels im AbschnittSedrun (Herr Holstein, Pöyry Infra AG,Sedrun, Schweiz).

Im Rahmen des 41. Geomechanik –Kolloquiums sind wiederum die Franz-

Mit einem Teilnehmerrekord von über200 Fachkollegen fand am 16. Novem-ber 2012 das vom Lehrstuhl für Gebirgs-und Felsmechanik/Felsbau am Institutfür Geotechnik, dem IfG – Institut fürGebirgsmechanik GmbH Leipzig sowiedem Verein Freiberger Geotechnikere.V. (VFG) veranstaltete 41. Geomecha-nik-Kolloquium statt. Zu dieser Veran-staltung, die den Zusatz „45 Jahre Geo-technik-Ausbildung in Freiberg“ trug,konnten die Organisatoren neben Teil-nehmern aus dem Inland Gäste ausÖsterreich, der Schweiz, den Niederlan-den, Polen, Spanien, Schweden und ausVietnam begrüßen.

Das in drei Vortragsblöcke geglieder-te Tagungsprogramm befasste sich mitneuen Erkenntnissen aus dem vielfälti-gen Aufgabenspektrum der modernenFels- und Gebirgsmechanik.

So wurden zunächst Standsicher-heitsfragen im kolumbianischen End -böschungsbergbau auf Steinkohle (HerrKleiterp, Caterpillar Inc., Sliedrecht,Niederlande) und im kasachischen Kup-ferbergbau (Herr Schmidt, TerrasolumS. L., Santander, Spanien) diskutiert.

Einen weiteren Themenschwerpunktbilden gesteinsmechanische Versuche – an Sandsteinen (Herr Baumgarten,

TU Bergakademie Freiberg),– unter hochdynamischer Beanspru-

chung (Prof. Zhou, Central South University, Changsha, China) sowie

– unter echten triaxialen Belastungsbe-dingungen (Dr. Smolnik als Vertreterfür Prof. Kwasniewski, TU Gliwice,Polen).

Darüber hinaus sind – im Zusammen-hang mit Geothermieprojekten – dieVerfahrensweise sowie ausgewählte Er-

Kögler-Preise des Vereins FreibergerGeotechniker e.V. verleihen worden,und zwar an – Herrn Dr.-Ing. Michael Stahl (ITAS-

CA Consultants GmbH, Gelsenkir-chen) für seine Dissertation (Sonder-preis) sowie

– Herrn Dipl.-Ing. Andreas Wenzel (TU Bergakademie Freiberg) für seineDiplomarbeit.

Die Tagung ist zudem durch eine kleineFachausstellung von Firmen mit geo-technisch-gebirgsmechanischer Ausrich-tung umrahmt worden, die v. a. in denKonferenzpausen sehr gut besucht war.

In der Veröffentlichungsreihe des In-stituts für Geotechnik der TU Berg -akademie Freiberg (Herausgeber: H. Ko-nietzky) sind im Heft 2012-1 – zumeistenglischsprachig – die 13 Fachvorträgedes Kolloquiums, der Kurzbeitrag desFranz-Kögler-Sonderpreisträgers und da-rüber hinaus zwei Beiträge von Dokto-randen am Lehrstuhl für Gebirgs- undFelsmechanik über deren aktuelle For-schungsergebnisse enthalten.

Der Tagungsband kann – solange derVorrat reicht – über das Sekretariat desLehrstuhls bezogen werden. Den würdi-gen Abschluss dieses Konferenztages bildete der Fachschaftsabend für alleTeilnehmer im Freiberger Brauhof.

Das nächste Freiberg – Leipziger –Geomechanik – Kolloquium wird am15. November 2013 in Leipzig stattfin-den.

Prof. H. Konietzky, Dr. A. Hausdorf

Award of the Franz-Kögler special prize 2012 to Dr. Michael StahlVerleihung des Franz-Kögler-Sonderpreises 2012 an Dr. Michael Stahl

The handing over of the Franz-Kögler student prize 2012 by the chair-man of the VFG, Professor Grießl, to Dipl.-Ing. Andreas WenzelÜbergabe des studentischen Franz-Kögler-Preises 2012 durch den Vor-sitzenden des VFG, Professor Grießl, an Dipl.-Ing. Andreas Wenzel


Product Information

Thirra Tunnel for the Albania-Kosovo Highway secured by DSI-Systems

and quick recalculation and adjustmentsof the support systems that were needed.

The characteristics of the IBO – Self-Drilling Anchor System – quick and safeapplication due to drilling, installationand grouting in a single operationalstep – constituted a huge advantage forthe project team. The changing rockconditions also required an ad hoc ad-justment of the anchor lengths, whichcould be done any time using the includ-ed couplers.

Immediate support in the excavationarea was achieved using Type 95/30/20Pantex Lattice Girders. The Pantex Lat-tice Girder stiffeners (also known as“spiders”) reduce local buckling lengthsof the bars and, in addition to a high

Once completed, the new Albania-Koso-vo Highway will link Kosovo with theseaport of Durres on the Adriatic Sea,crossing Albania. The travel route willthen be much easier and shorter, thussignificantly contributing to increasingtrade and tourism in this area of north-ern Albania.

On the Albanian side, 1,858 m highMt. Runes divides the planned highwaysection between the towns of Rreshenand Kalimash. Tunneling work for theThirra Tunnel started in May 2007 fromall four portals simultaneously.

In its production facility in Paschingnear Linz in Austria, DSI produced an-chor systems and rock support for theThirra Tunnel and supplied them to thesite in accordance with project progress.The support systems were continuouslyadjusted in the plant to suit new require-ments. During excavation work, chang-ing rock conditions were repeatedly en-countered in five different zones. Thisrequired a huge amount of flexibility

normal and bending moment resistance,provide an assured transfer of the nor-mal forces prior to the application ofshotcrete. The complete integration ofthe Pantex Lattice Girders in the shot-crete lining results in a tunnel liningthat significantly reduces ground defor-mations and prevents the ingress of water.

The Thirra Tunnel was opened totraffic in July 2010.

Further information:DSI Dywidag-Systems InternationalAlfred-Wagner-Strasse 14061 Pasching/LinzAustriawww.alwag.com

Thirra Tunnel der Albanien-Kosovo Autobahn mit DSI-Systemen gesichert

DSI produzierte im Werk Paschingbei Linz in Österreich Ankertechnik undStützmittel für den Thirra-Tunnel undlieferte diese dem Projektfortschritt ent-sprechend auf die Baustelle. Die Siche-rungssysteme wurden im Werk laufendan die neuen Bedürfnisse angepasst. Diewährend der Vortriebsarbeiten angetrof-fene stark wechselnde Geologie (insge-samt fünf Felsklassen) erforderte einegroße Flexibilität und rasche Neuberech-nung sowie Anpassung der notwendigenTunnelsicherung.

Die Eigenschaft des IBO – Selbstboh-rankersystems – schneller und sichererEinbau durch Bohren, Versetzen und In-

Die neue Albanien-Kosovo Autobahnwird nach ihrer Fertigstellung den Koso-vo mit der Hafenstadt Durres an derAdria verbinden und dabei Albaniendurchqueren. Die dann stark vereinfach-te und verkürzte Reiseroute wird erheb-lich zur Entwicklung von Handel undTourismus in der nordalbanischen Re -gion beitragen.

Auf albanischer Seite liegt der1.858 m hohe Berg Runes genau in dergeplanten Autobahnstrecke zwischenRreshen und Kalimash. Die Arbeiten amThirra-Tunnel begannen im Mai 2007und wurden von allen vier Portalen ausgleichzeitig vorgetrieben.

jizieren in einem Arbeitsgang – unter-stützten das Projektteam. Die wechseln-de Geologie im Tunnel erforderte zudemeine ad hoc-Anpassung der Ankerlängen,was durch die Verwendung der mitge -lieferten Muffen jederzeit möglich war.

Die Tunnellaibung im Bereich desvordersten Abschlages konnte jeweilsdurch den Einsatz von Pantex Gitter -trägern, Typ 95/30/20, sofort gesichertwerden. Die räumlichen Aussteifungs -elemente des Pantex Gitterträgersystemsreduzieren die lokalen Knicklängen derGurtstäbe und gewährleisten, neben einer hohen Normal- und Biegemoment-beanspruchung, eine sichere Übertra-gung der Querkräfte auch im nicht ein-gespritzten Zustand. Die voll in dieSpritzbetonschale integrierten PantexGitterträger stellen zudem sicher, dasseventuelle Verschiebungen des umgeben-den Gebirges minimiert und gleichzeitigdie Wasserdichtigkeit der Spritzbeton-schale entscheidend erhöht wird.

Der Thirra-Tunnel wurde im Juli 2010für den Verkehr freigegeben.

Weitere Informationen:DSI Dywidag-Systems InternationalAlfred-Wagner-Strasse 14061 Pasching/LinzÖsterreichwww.alwag.com

Support of Tunnel Lining using IBO – Self-Drilling Anchors and Pantex Lattice Girders (Foto: DSI)Sicherung der Tunnelinnenschale mit IBO-Selbstbohrankern und Pantex Gitterträgern (Foto: DSI)

Owner: Government of AlbaniaGeneral Contractor: Joint Venture Bechtel/ ENKAEngineer: Egis Route, France; Geoconsult, Salzburg, AustriaDSI Unit: DSI GmbH, Pasching/Linz, AustriaDSI Scope: Supply of IBO – Self-Drilling Anchors R32, PANTEX

Lattice Girders


Site Report

German Expertise on the Moscow Underground in Cooperation with Mosmetrostroy for the Extension of the Metro Lines

gneiss, clay and sandstone and the Terextunnel excavator can deal with themwell – plenty of water also has to be expected.

Since the issue of the metro construc-tion regulations in 2010, drill and blasthas been forbidden. For this reason, additional tunnel boring machine andTerex ITC120 and ITC312 tunnel exca-vators are being used. One particularchallenge is the special production of a large tunnel excavator and loading machine of type ITC312N.

The requirements for this 35 t head-ing and loading machine were particu-larly challenging. The ITC312N is builtin four parts and heavily reinforced atthe bolted connection points, which aresubject to extreme loading. All connec-tions are plugged. This means that the

The Russian specialised civil engineer-ing contractor Mosmetrostroy is con-vinced of the performance of the Terextunnelling machines. The first of five toseven planned Terex ITC machines hasnow been delivered for the extension ofthe Metro Lines in the Russian capitalMoscow.

The tunnel excavator and loaderITC120 recently delivered to Moscowcan be fitted with three different booms.The long- straight sections of tunnel willbe driven by a tunnel boring machine,while the Terex ITC120 will excavatetight curves, safety tunnels and accesstunnels. Muck clearance, hammeringand loading as well as excavating andprofiling – the booms are designed forall purposes. In the subsoil belowMoscow, the prevailing materials are

ITC312 heading and loading machinecan be broken down into four parts in ashort time after the completion of a tun-nel section, retrieved from an accessshaft and reassembled at its new work-ing location below ground. This assem-bly and disassembly of the machine is afixed part of the construction schedulefor the current new section of theMetro.

The close the collaboration betweenTerex and Mosmetrostroy was demon-strated in October: eight mechanics,electricians and tunnel machine driversfrom Mosmetrostroy under the leader-ship of product manager Leonid Yazonkin attended a training coursewith Wilfried Schöller (CMT) at the tunnel and specialised machinery worksof Terex.

The ITC 120 machines intended forMosmetrostroy are equipped with cen-tral lubrication to the boom systems.The conveyor belt of the extremely ro-bust heading and loading machine canbe fitted with rubber or scraper band fac-ing. The excavated material can be con-veyed straight or also in a curve. Themonitoring system is fitted as standardwith two, or optionally four, cameras. Awater spraying system prevents excessivedust production. A hammer in the1,000 kg class is fitted, and the cuttingunit has a motor power of 30 kW.

The ITC312 specially constructed forMosmetrostroy is extremely reinforcedat the bolted connecting points. It isequipped with a132 kW electric motor(400 V/50 Herz) and a 80 cable drum aswell as a 65 kW diesel motor.

At least ITC120 machine and oneITC312 from Terex ITC will be involvedin the new construction of the current75 km of Metro Lines, which will bebuilt in Moscow in the next five years.150 km of Metro Lines, intended tomake the change from car to Metro at-tractive for Moscow’s commuters, areplanned by 2022. The ambitious MetroProject is intended to counter the ex-treme nuisance of individual traffic atpeak times. The motto is “Moscow mustbreathe again”.

Deutsches Knowhow in Moskaus Untergrund bei Kooperation mit Mosmetrostroy beim Ausbau der Metro-Linien

Mit drei verschiedenen Auslegern istdie Vortriebsmaschine ITC120 ausge-stattet, die dieser Tage nach Moskau ge-liefert wurde. Die langen, geraden Tun-nelstrecken werden mit Tunnelbohrma-schinen vorangetrieben, während mitder Terex ITC120 engere Kurvenradien,Sicherheitsstollen und -zugänge ausge-

Überzeugt von der Leistungsfähigkeitder Terex-Tunnelvortriebsmaschinen istdas russische Spezial-Tiefbauunterneh-men Mosmetrostroy. Die erste von fünfbis sieben geplanten Terex ITC-Maschi-nen wurde jetzt für den Ausbau der Me-tro-Strecken in der russischen Haupt-stadt Moskau geliefert.

brochen werden. Schuttern, hämmernund laden sowie losbrechen und profi-lieren – dafür sind die Ausleger konstru-iert. Im Moskauer Untergrund sindGneis, Ton und Sandstein die vorherr-schenden, mit den Terex-Vortriebsma-schinen sehr gut ausbrechbaren Materia-

At a training course at the Terex works for specialised tunnel machinery, mechanics, elec -tricians and tunnel machine drivers from Mosmetrostroy were instructed by ITC and CMTspecialists in the operation of tunnel heading and loading machinesBei einer Schulung im Terex-Werk für Tunnel- und Spezialmaschinen wurden Mechaniker,Elektrotechniker und Tunnelmaschinen-Fahrer von Mosmetrostroy von ITC- und CMT-Spezialisten mit den Tunnelvortriebs- und Schuttermaschinen vertraut gemacht


Site Report

lien – zudem ist mit reichlich Wasser zurechnen.

Nachdem im Jahr 2010 die Metro-Baurichtlinien geändert wurden, ist derSprengvortrieb untersagt. Deshalb wer-den jetzt zusätzliche Tunnelbohrmaschi-nen und Vortriebsmaschinen der BauartTerex ITC120 und ITC312 eingesetzt. Ei-ne besondere Herausforderung ist dieSpezialanfertigung einer großen Vor-triebsmaschine des Typs ITC312N.

Speziell an die Konstruktion dieser35 t schweren Vortriebs- und Schutter-maschine werden besondere Anforde-rungen gestellt. Die ITC312N wird invier Teilen gebaut und an den Verbin-dungsstellen für die Verschraubungen,die besonderen Belastungen ausgesetztsind, extrem verstärkt. Alle Anschlüssewerden mit Kupplungen versehen. Da-mit kann diese ITC312-Vortriebsmaschi-ne nach Fertigstellung einer Tunnelstre-cke in kürzester Zeit in vier Teile zerlegt,über einen Zugangsschacht herausgeholtund am neuen Einsatzort unter Tagewieder zusammengebaut werden. Diese

Montage und Demontage der Maschineist fester Bestandteil der Bauwerkspla-nung im aktuellen Metro-Neubaustre-cken-Projekt.

Wie eng die Zusammenarbeit zwi-schen Terex und Mosmetrostroy ist,zeigte sich im Oktober: Acht Mechani-ker, Elektrotechniker und Tunnelma-schinen-Fahrer von Mosmetrostroy mitProduktmanager Leonid Yazonkin ander Spitze wurden unter Anleitung vonWilfried Schöller (CMT) im Tunnel- undSpezialmaschinenwerk von Terex ge-schult.

Die für Mosmetrostroy bestimmtenITC120 sind mit einer Zentralschmier-anlage an den Auslegersystemen ausge-stattet. Das Förderband der extrem ro-busten Vortriebs- und Schuttermaschinekann mit Gummi- oder Kratzerband be-legt werden. Ausbruchmaterial wird so-wohl gerade als auch in einem Bogennach hinten weggefördert. Das Überwa-chungssystem ist serienmäßig mit zwei,optional mit vier Kameras ausgestattet.Eine Wassersprühanlage verhindert

übermäßige Staubbildung. Eingesetztwird eine Hammereinrichtung der 1000-kg-Klasse. Die eingesetzte Fräse hat eineMotorleistung von 30 kW.

Der für Mosmetrostroy speziell kon-struierte ITC312 wird an denVerbindungs stellen für die Verschrau-bungen extrem verstärkt. Es wird mit ei-nem 132-kW-Elektromotor (400 V/50Herz) und einer 80-m-Kabeltrommel so-wie einem 165 kW starken Dieselmotorausgestattet.

Mindestens vier ITC120 und eineITC312 von Terex ITC werden also amNeubau der aktuellen 75 Kilometer Me-tro-Strecken, die in den nächsten fünfJahren in Moskau entstehen, beteiligtsein. 150 Kilometer Metro-Linien, dieden Umstieg vom Auto auf die Schienefür Moskaus Pendler attraktiv machen,sind bis 2022 geplant. Das ehrgeizigeMetro-Projekt steht unter dem Eindruckdes extrem belastenden Individualver-kehrs in den Stoßzeiten. Es wurde dieDevise ausgegeben: „Moskau muss wie-der atmen.“


Diary of Events

• Geotechnical investigation and monitoring

• Numerical modelling• Equipment, operational safety and

maintenance• Risk management, contractual

relationships and funding

Info:www.ita-aites.cz/en

Tunnelling in Mediterranean Region7 and 8 May 2013, Porec, Croatia

Topics:• Urban planning near the coast• Project development using under-

ground• Risk estimation and feasibility studies

of new projects• Design and analysis• Construction methods in different

geology• Mechanical and electrical equipment• Immersed tubes toward islands

Info:www.meditunnel2013.com

Leobener Sicherheitstag 2013Sicherheit UNTERTAGEDonnerstag, 16. Mai 2013,Leoben, Österreich

Themen:• Seminarblock Nr. 1:

Sicherheit Untertage – von der Planung bis zur Ausführung

• Seminarblock Nr. 2:Sicherheit Untertage – aus dem Blick-winkel des Betriebes

• Seminarblock Nr. 3:Sicherheit Untertage – PsychologischeAspekte

Info:Prof. Dr. Robert [email protected]. Robert [email protected]

World Tunnel Congress“Underground – the way to the future”3 to 5 June 2013, Geneve, Switzerland

Topics:• Underground development• Project planning and implementation• Tunnel operation

19th German EngineeringGeology Congress14 and 15 March 2013, Munich, Germany

Topics:• Landslides in alpine and non-alpine

regions• Tunnelling in alpine and non-alpine

regions• Near surface and deep geothermal

systems• Natural and building stones, historical

buildings and their foundation condi-tions

Info:www.geo.tum.de

28th Christian Veder Colloquium4 and 5 April 2013, Graz, Austria

Topic:• Deep foundation concepts – from

micro pile to large bored pile

Info:http://www.cvk.tugraz.at

Euro:Tun 201317 to 19 April 2013, Bochum, Germany

Topics:• Spatial and temporal discretization

strategies for numerical analyses• Advanced constitutive models• Model identification and sensitivity

analysis• Computer aided process control• Computational life cycle management• Logistics modelling and data manage-

ment• Soft computing, visualization, data

mining and experts systems• Uncertainty modelling and risk

analysis

Info:www.eurotun2013.rub.de

12th International Conference“Underground Construction Prague 2013”22 to 24 April 2013, Prague, Czech Republic

Topics:• Transport tunnels• Underground structures

• Design and analysis methods and considerations

• Construction technology developments• Case histories

Info:www.wtc2013.ch

62nd Geomechanics Colloquium9 to 11 October 2013, Salzburg, Austria

Special sessions (9 October 2013):• Characterization of fault zones• Failure prognosis in geotechnics

Topics:• Challenge Shaft• International large projects• Power water conduits• Special measures in soft ground

Info:www.oegg.at

Südbahntagung 2013 – Focus onKoralm and Semmering Base Tunnel21 November 2013, Leoben, Austria

Topics:• Project overview• Focus on Koralmtunnel• Focus on Semmering Base Tunnel• Reports from further projects between

Vienna, Graz, Klagenfurt and Villach

Info:[email protected]

STUVA ‘13 Conference27 to 29 November 2013, Stuttgart, Germany

Topics• Most recent technical developments in

all fields of underground construction• Major international projects• Safety during construction and

operation of tunnels• Design/construction/maintenance/

refurbishment/upgrading/research• Mechanised tunnelling /tunnelling

under difficult ground conditions• Sustainability, recovery and use of

energy in underground constructions• Economics/contractual issues/

financing

Info:www.stuva.de

Diary of Events


The journal “Geomechanics and Tunnelling” publishes internationalarticles about the practical aspects of applied engineering geology, rockand soil mechanics and above all tunnelling. Each issue is a special,dedicated to a current theme or an interesting project.Geomechanics and Tunnelling comes out six times a year.

Except for a manuscript, the publisher Ernst & Sohn purchases exclusivepublishing rights. Only works are accepted for publication, whose contenthas never appeared before in Germany or abroad. The publishing rightsfor the pictures and drawings made available are to be obtained from theauthor. The author undertakes not to reprint his article without theexpress permission of the publisher Ernst & Sohn. The “Notes forauthors” regulate the relationship between author and editorial staff orpublisher, and the composition of articles. These can be obtained from the publisher or in the Internet under www.ernst-und-sohn.de/zeitschriften.

The articles published in the journal are protected by copyright. All rights,particularly that of translation into foreign languages, are reserved. Nopart of this journal may be reproduced in any form without the writtenapproval of the publisher. Names of brands or trade names published inthe journal are not to be considered free under the terms of the lawregarding the protection of trademarks, even if they are not individuallymarked as registered trademarks.

Manuscripts are to be sent to the editorial staff.

If required, special prints can be made of single articles. Requests shouldbe sent to the publisher.

Current pricesThe journal Geomechanics and Tunnelling has 6 issues per year. Inaddition to “Geomechanics and Tunnelling print”, the PDF version“Geomechanics and Tunnelling online” is available on subscriptionthrough the online service Wiley InterScience.

Subscription price print print+online students single copy

131 € 151 € 58 € 25 €202 CHF 232 CHF 89 CHF 38,66 CHF

196 $ 226 $ 86 $

Members of the Austrian Association for Geomechanics (ÖGG) receivethe journal Geomechanics and Tunnelling as part of their membership.Student prices on production of a confirmation of student status. Allprices are net-prices exclusive of VAT but inclusive postage and handlingcharges. Prices are valid from 1st September 2012 until 31st August 2013.Errors excepted and subject to alteration.

Personal subscriptions may not be sold to libraries or used as librarycopies.

A subscription runs for one year. It can be terminated in writing at anytime with a notice period of three months to the expiry of the subscriptionyear. Without written notification, the subscription extends for a furtheryear.

Bank detailsCommerzbank Weinheim, account number 751118800, bank sort code 67080050SWIFT: DRESDEFF670

Periodical postage paid at Jamaica NY 11431. Air freight and mailing inthe USA by Publications Expediting Services Inc., 200 Meacham Ave.,Elmont NY 11003. USA POSTMASTER: Send address changes to “Geomechanics and Tunnelling”c/o Wiley-VCH, 111 River Street, Hoboken, NJ 07030.

Publishing houseWilhelm Ernst & SohnVerlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co.KGRotherstraße 2110245 Berlin/GermanyTel.: +49 (0)30/47031-200 Fax: +49 (0)30/[email protected], www.ernst-und-sohn.de

EditorsAustrian Society for Geomechanics (OeGG)Bayerhamerstraße 145020 Salzburg/AustriaTel.: +43 (0)662/875519Fax: +43 (0)662/886748E-mail: [email protected]

Editorial staffEditor in chief: Dr.-Ing. Helmut Richter, Ernst & SohnTel.: +49 (0)30/47031-265, Fax: -277E-mail: [email protected] editor: Esther Schleidweiler, Ernst & SohnTel.: +49 (0)30/47031-267, Fax: -277E-mail: [email protected]

Editorial boardChairmen:ß Prof. Robert Galler / Montanuniversität Leoben

Austria, 8700 Leobenß Dr. Andreas Goricki / 3G Gruppe Geotechnik Graz

Austria, 8010 Graz

Members:ß Prof. Georgios Anagnostou / ETH Hönggerberg

Switzerland, 8093 Zurichß Dipl.-Ing. Nejad Ayaydin / IGT

Austria, 5020 Salzburgß Prof. Giovanni Barla / Politecnico di Torino

Italy, 10129 Turinß Prof. Tarcisio B. Celestino / Themag Engenharia & USP

Brasil, Sao Pauloß Dipl.-Ing. Heinz Ehrbar / Swiss Tunnel Holding AG

Switzerland, 8133 Esslingen ZHß Prof. Xia-Ting Feng, The Chinese Academy of Sciences,

China, 430071 Wuhanß Dr. Max John / Zivilingenieur für Bauwesen

Austria, 6020 Innsbruckß Prof. Scott D. Kieffer / Technische Universität Graz

Austria, 8010 Grazß Dr. Harald Lauffer / Porr AG

Austria, 1103 Viennaß Dr. Ulrich Maidl / MTC Maidl Tunnelconsultants

Germany, 47051 Duisburgß Prof. Derek Martin / University of Alberta

Canada, Edmontonß Dr. Bernd Moritz / ÖBB-Infrastruktur AG,

Austria, 8020 Graz ß Prof. Pierpaolo Oreste / Politecnico di Torino

Italy, 10129 Turinß Prof. Phien-Wej Noppadol / Asian Institute of Technology

Thailand, Pathumthani 12120ß Prof. Rainer Poisel / Technische Universität Wien

Austria, 1040 Viennaß Dr. Peter Schubert / IC-Consulenten

Austria, 5101 Bergheimß Prof. Wulf Schubert / Technische Universität Graz

Austria, 8010 Grazß Prof. Helmut Schweiger / Technische Universität Graz

Austria, 8010 Grazß Prof. Kurosch Thuro / Technische Universität München

Germany, 80290 Munichß Dr. Alois Vigl / viglconsult

Austria, 6780 Schruns

Advertisement departmentFred Doischer, Ernst & SohnTel.: +49 (0)30/47031-234E-mail: [email protected]

Advertising managerAnnekatrin GottschalkRotherstraße 21, D-10245 BerlinTel.: +49 (0)30/47031-249, Fax: 030/47031-230E-mail: [email protected]

Service for customers and readersWILEY-VCH Kundenservice für Ernst & SohnBoschstraße 12, D-69469 WeinheimTel.: +49(0)8001800536 (innerhalb Deutschlands)

+49(0)1865476721 (außerhalb Deutschlands)Fax: +49(0)[email protected]: www.wileycustomerhelp.com

Layout and typesetting: TypoDesign Hecker GmbH, Leimen

Printing: ColorDruck GmbH, Leimen

© 2013 Wilhelm Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technischeWissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin

Inserts: This issue contains following insert: Verlag Ernst & Sohn, 10245 Berlin.

Imprint

RubrikenPreview

Geomechanics and Tunnelling 2/2013

Ota Hasík, Jirí RužickaPrague metroPrag metro

Martin Srb, Ladislav ŠtefanHighway tunnels in the Czech RepublicStraßentunnel in der TschechischenRepublik

Ermín StehlíkCzech tunnelling abroadTschechischer Tunnelbau im Ausland

Jirí Barták, Jan PruškaDevelopment of underground construction engineering in the Czech RepublicDie Entwicklung des unterirdischenIngenieurbaus in der TschechischenRepublik

Alexandr Butovic, Pavel Šourek, Vlastimil HorákUrban tunnels in the Czech RepublicStädtische Tunnel in der Tschechischen Republik

Libor Marík, Otakar HasíkDevelopment of railway tunnels in the Czech Republic using moderntunnelling methodsDie Entwicklung von Eisenbahn -tunneln in der Tschechischen Republik mit modernen Tunnelbau -methoden

Czech tunnel projectsTchechische Tunnelprojekte

Urban tunnelling at the intersection ofthe ventilation tunnel with triple-lane tunnelsStädtischer Tunnelbau an der Kreu-zung zwischen Ventilationstunnel undeinem dreispurigen Tunnel

…und aktuell an anderer Stelle

(Änderungen vorbehalten)

Heft 2/2013Temperaturfeldberechnung aus einer Particle ImageVelocimetry (PIV)-Messung einer natürlichenAuftriebsströmung

Hygrothermische Gebäudesimulation gekoppelt mit Multizonen-Gebäudedurchströmungsmodell

Methodik zur Unsicherheitsbewertung und Sensitivitäts -analyse für thermische Gebäudesimulationen

Die energetische Sanierung der Stadtbibliothek Nürnberg –Entwicklung des Energie- und Klimakonzepts mittels hygro -thermischer Gebäudesimulation

Kastenfenster-Optimierung im historischen Bestand

Untersuchungen zum Einfluss der Verklebung auf denDiffusionswiderstand bei Einsatz von glutinbasiertenKlebstoffen

Energiekennzahlen für den Gebäudebestand

Heft 3/2013Minimierte Konstruktion, maximale Effekte – Zum Entwurf des neuen Hauptbahnhofs Stuttgart

Noord/Zuidlijn Amsterdam – Technische Innovationen beim Bau eines innerstädtischen Metrotunnels

Brückenertüchtigung – eine notwendige Voraussetzung für ein zuverlässiges Fernstraßennetz

Geotechnische Herausforderungen auf der Aus- und Neubaustrecke Nürnberg–Ebensfeld (VDE 8.1.1)

A10 8-streifiger Ausbau mit Lärmschutzwänden mit Photovoltaik

Tiger and turtle

Überwerfungsbauwerke VleuGel, Utrecht

Bauzustandsanalyse und Instandsetzung von Nagelbindern

Heft 1/2013Erläuterungen zur Haftscherfestigkeit

Untersuchungen zum Verbund von Bewehrung in Fugen und Aussparungen

Einfluss der Carbonatisierung auf Festigkeit und Struktur von Porenbeton

Ansätze zur Ermittlung der horizontalen Einwirkungen auf Schubwände

Heft 3/2013Die Waldschlößchenbrücke in Dresden – Ausführungsplanungdes Überbaus

Elbebrücke Schönebeck – Schrägseilbrücke mitLitzenbündelseilen (Teil 1): Konstruktion und Ausführung

Neue Technologie für die Hängebrücke über die Saar in Mettlach

Brückenfahrbahn aus Sandwich Plate System (SPS)

Ersatzneubau für die Schnettkerbrücke in Dortmund –Teil 2: Bauausführung

Brücken in VFT-WIB-Bauweise mit Verbunddübelleisten

Zum Tragverhalten von MCL-Verbunddübel unter statischerund zyklischer Belastung

Tragverhalten von plattenartigen Tragelementen mit ein- und mehrlagigen Faltungen aus Feinblech

BerichteTheory and Case Study of Vehicle Load Identification Basedupon BWIM of Steel Truss

Heft 3/2013Zur Planung und Ausführung von Ziegeldecken nach neuerDIN 1045-100 mit Eurocode 2

Plattenbalken mit Querkraft-Verstärkung aus Textilbeton unter nicht vorwiegend ruhender Belastung

Effizientes Vorspannen von CFK-Lamellen

Bemessungskonzept für wärmedämmende Plattenanschlüssemit Druckschublagern

BerichtBauausführung von Betontragwerken nach DIN EN 13670 und DIN 1045-3 – Auswirkungen auf die Praxis

Geomechanics and Tunelling 01/2013 Free Sample Copy

Documents

Transcript of Geomechanics and Tunelling 01/2013 Free Sample Copy