Geomechanics and Tunnelling 01/2014 Free Sample Copy

1Volume 7February 2014ISSN 1865-7362

- Multi-mode tunnel boring machines

- Application of EPB shields in difficult ground conditions

- TBM and spoil treatment selection process

- Hybrid EPB tunnelling

- Real-time process controlling

- Interaction platform for mechanised tunnelling

- Determining soil abrasiveness

EPB Tunnelling

Geomechanics andTunnellingGeomechanik

und Tunnelbau

Als erster Hersteller konnte HALFEN mit Datum vom 18.12.2012 die

HDB Dübelleiste mit Europäisch Technischer Zulassung (ETA) anbieten. Daraus ergeben sich für Sie folgende Vorteile:

Eurocode konforme Bemessung nach dem aktuellen Stand der Technik

Einheitliche Bemessungsregeln, gültig in 30 Ländern

Höhere Tragfähigkeit in Flachdecken

Durchstanzbemessung von Einzel-fundamenten und Bodenplatten explizit geregelt

An ETA angepasste Software und Technische Informationen zur HALFEN HDB Dübelleiste ab sofort verfügbar

Auf der Baustelle eingebaute HALFEN Dübelleisten.

Montage der HALFEN HDB Dübelleisten.

Viele Argumente, ein Fazit: Die Produkte von HALFEN bedeuten Sicherheit, Qualität und Schutz – für Sie und Ihr Unternehmen.

HALFEN Vertriebsgesellschaft mbH • Technischer Innendienst • Tel.: 02173/970-9031 • [email protected] • www.halfen.de

Ein weiterer Stern für ganz Europa.

HALFEN HDB: Die Dübelleiste mit ETA-Zulassung, CE-zertifi ziert.

NEU!

ETA für HALFEN

HDB Dübelleiste!

1Bautechnik 81 (2004), Heft 1

Content

Geomechanicsand Tunnelling1

Das Titelbild zeigt einen Anfahrtschacht für das Großprojekt Klang Valley MRT in KualaLumpur, Malaysia. Bei diesem Projekt kommen sechs Variable-Density-Maschinen zum Einsatz. Diese Maschine können sowohl in der flüssiggestützten Betriebsart unter Einsatzeines Druckluftpolsters zur Stützdrucksteuerung als auch in der erddruckgestützten Betriebs-art unter Verwendung der Austragsvolumenkontrolle zur Stützdrucksteuerung betrieben werden (siehe Seite 18–30).

The cover shows the launching pit of the Klang Valley MR project in Kuala Lumpur, Malaysia, where six Variable Density Machines come into operation. These machines canbe operated both in slurry mode using an air bubble system for face pressure control and in EPB mode using muck volume control for face pressure control (see page 18–30).

Volume 7February 2014 • 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 Ulrich Maidl

EPB shields are once more gaining ground against hydroshields Erddruckschilde gewinnen gegenüber den Hydroschilden weiter an Boden

Interview14 High innovation potential for mechanised tunnelling

Hohes Innovationspotenzial für den maschinellen Tunnelbau

Topics18 Werner Burger

Multi-mode tunnel boring machinesMulti-Mode Tunnelvortriebsmaschinen

31 Mario Galli, Markus ThewesInvestigations for the application of EPB shields in difficult ground conditionsUntersuchungen für den Einsatz von Erddruckschilden in schwierigem Baugrund

45 Rainer Rengshausen, Riku Tauriainen, Andreas RaedleTBM and spoil treatment selection process – case history Crossrail C310 Thames Tunnel

55 Ulrich Maidl, Julio C. D. D. PierriInnovative hybrid EPB tunnelling in Rio de Janeiro

64 Ulrich Maidl, Janosch StascheitReal-time process controlling of EPB shieldsEchtzeit-Prozesscontrolling bei Erddruckschilden

72 Steffen Schindler, Felix Hegemann, Abdullah Alsahly, Thomas Barciaga, Mario Galli, Karlheinz Lehner, Christian KochAn interaction platform for mechanized tunnellingEine Interaktionsplattform für maschinelle Tunnelvortriebe

87 Jan Düllmann, Michael Alber, Ralf J. PlinningerDetermining soil abrasiveness by use of index tests versus using intrinsic soil parametersBewertung der Abrasivität von Lockergestein mit Indexverfahren und herkömmlichen Bodenkennwerten

Rubrics4 News12 People98 Diary of Events

2 © 2014 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Geomechanics and Tunnelling 7 (2014), No. 1

Weltweit wird heute die Mehrzahl der Tunnelvortriebe mitaktiver Ortsbruststützung von Erddruckschilden aufgefah-ren. Ermöglicht wird dies durch technische Innovationen,v. a. bei der Bodenkonditionierung und Materialförde-rung. Insbesondere durch die Schaumkonditionierung ge-lang es, den Einsatzbereich der Erddruckschilde auch aufgrobkörnige Böden unterhalb des Grundwasserspiegelsauszuweiten. Mittlerweile ist die Genauigkeit der Stütz-druckregelung vergleichbar mit dem Flüssigkeitsschild.

Ein großer Vorteil der Erddruckschilde sind die ver-gleichsweise niedrigen Investitionskosten, da beim Erd-druckschild wesentliche Peripheriegeräte, z. B. die Sepa-rieranlage, eingespart werden können. Dies ist insbeson-dere bei Vortrieben außerhalb Europas ein wichtiges Kri-terium für die beteiligten Unternehmen.

Nachteilig bleiben die technischen Risiken, insbeson-dere der hohe Verschleiß bei hohem Stützdruck. Bei ho-hem Konditionierungsaufwand erweist sich die Deponie-rung aufgrund umwelttechnischer Belange vielfach pro-blematisch. Die Hebung von Einsparpotenzialen durchnachhaltige Aushubwiederverwertungskonzepte gewin-nen zunehmend an Bedeutung. Vielversprechend ist hierinsbesondere die Trennung der Kornfraktionen in wieder-verwertbares Grobkorn und das für den Einsatz als Kon-ditionierungsmittel aufbereitete Feinkorn. Das Ziel solltesein, die Vorteile der Erddruck- und Flüssigkeitsschildekünftig zu bündeln. Gegenwärtiger Höhepunkt der Ent-wicklung ist die Kombination von hydraulischen, Schne-cken- und Bandfördersystemen in Verbindung mit intelli-genter Separationstechnik.

Über weitere technische Neuentwicklungen des deut-schen Marktführers Herrenknecht berichtet Werner Bur-ger, Chefdesigner der Herrenknecht AG. Professor MarkusThewes und Mario Galli stellen die aktuellen Kenntnisseder Ruhr-Universität Bochum zum Thema Bodenkonditio-nierung vor. Rainer Rengshausen, Andreas Raedle und Riku Tauriainen beschreiben den TVM-Auswahlprozessbeim „Crossrail“-Projekt in London. Die größten techni-schen Herausforderungen an die innovative Hybridma-schine in den Sanden von Rio de Janeiro werden von mirgemeinsam mit Julio do Pieri, Odebrecht, dargestellt.

Mit Janosch Stascheit berichte ich auch über die tech-nischen Steuerungsmöglichkeiten zur Optimierung desBauablaufs von Erddruckschilden bei der Nutzung von„Big Data“-Konzepten und Cloud Computing. SteffenSchindler, Felix Hegemann, Abdullah Alsahly, Thomas

Editorial

EPB shields are once more gaining ground against hydroshields

Erddruckschilde gewinnen gegenüber den Hydroschilden weiter an Boden

Most tunnels worldwide arenow being driven by earthpressure balance machineswith active face support.This has been made possibleby technical innovations, forexample in soil conditioningand muck conveyance. Inparticular foam conditioninghas enabled the extension ofthe scope of application ofEPB machines to coarse-grained soils below the

groundwater table. The precision of the support pressureregulation is meanwhile comparable to slurry shields.

One major advantage of EPB machines is the com-paratively low investment costs, since the use of an EPBmachine permits the saving of essential peripheral ma-chinery such as a separation plant. This is an importantconsideration for the contractors, particularly for tunnelsoutside Europe.

The technical risks remain as a disadvantage, partic-ularly the heavy wear when the support pressure is high.When a lot of conditioning is needed, tipping can oftenbe problematic due to environmental requirements. Theexploitation of savings by sustainably recycling the spoilis becoming ever more significant, with the separation ofthe grain fractions into coarse material for recycling and fine material for preparation as conditioning agentbeing a particularly promising approach. The aim in thefuture should be to combine the advantages of EPB andslurry machines. At the moment, the high point of devel-opment is the combination of hydraulic, screw and beltconveyance systems with intelligent separation techno -logy.

New developments from the German market leaderHerrenknecht are reported by Werner Burger, head de-signer of Herrenknecht AG. Professor Markus Thewesand Mario Galli relate the current state of knowledge atthe Ruhr-University Bochum on the subject of soil condi-tioning. Rainer Rengshausen, Andreas Raedle and RikuTauriainen describe the TBM selection process on theCrossrail project in London. The great technical chal-lenges with the innovative hybrid machine in the sands ofRio de Janeiro are described by me, together with Julio doPieri, Odebrecht.

3Geomechanics and Tunnelling 7 (2014), No. 1

With Janosch Stascheit, I also report on the technicalcontrol methods for the optimisation of the constructionprocess of EPB machines through the use of big data con-cepts and cloud computing. Steffen Schindler, Felix Hege-mann, Abdullah Alsahly, Thomas Barciaga, Mario Galli,Christian Koch, and Karlheinz Lehner – a young researchteam from the Ruhr-University Bochum – present furtherIT methods for mechanised tunnelling. The last articlefrom Jan Düllmann, Michael Alber and Ralf J. Plinningerdiscusses the evaluation of the abrasiveness of looseground.

Dr. Ulrich Maidlmtc – Maidl Tunnelconsultants

Barciaga, Mario Galli, Christian Koch, und KarlheinzLehner – ein junges Forscherteam der Ruhr-UniversitätBochum – stellen weitere IT-Ansätze für den maschinellenTunnelbau vor. Im letzten Aufsatz von Jan Düllmann, Mi-chael Alber und Ralf J. Plinninger wird die Bewertung derAbrasivität von Lockergesteinen beleuchtet.

Dr. Ulrich Maidlmtc – Maidl Tunnelconsultants

4 Geomechanics and Tunnelling 7 (2014), No. 1

News

New pressure tunnel for the Bärenwerk hydropower station

The Salzburg AG is modernising theBärenwerk, which went into operationin 1924, to increase the output of thepower station by almost a third to14.96 MW. The operator will then beable to supply about 19,000 householdswith electricity from environmentallyfriendly hydropower. Measures for eco-logical upgrading are also being carriedout. The dismantling of the old pen-stock pipeline will make new pastureavailable for local farmers.

One of the most important measuresis the construction of the new under-ground pressure tunnel with an excavat-ed diameter of 3.83 m, for which thecontractor Marti Tunelbau AG used aHerrenknecht gripper TBM. In aboutfive and a half months, the TBM bored2.8 km of tunnel through phyllitic shale,quartzite, calcareous mica schist andgreenschist with banded limestone,achieving advance rates of up to 72 m/dor 322 m/week. The breakthrough oc-curred on 10 September 2013.

Neuer Druckstollen für Wasserkraftwerk Bärenwerk aufgefahren

Durch den Rückbau der alten Druck-rohrleitungen stehen der örtlichenLandwirtschaft neue Weideflächen zurVerfügung.

Zu den größten Maßnahmen zähltder Neubau eines unterirdischen Druck-stollens mit einem Ausbruchdurchmes-ser von 3,83 m, für den die bauausfüh-rende Marti Tunnelbau AG eine Herren-

Die Salzburg AG modernisiert das 1924erstmals in Betrieb genommene Bären-werk und steigert die Leistung des Was-serkraftwerks um knapp ein Drittel auf14,96 MW. Rund 19.000 Haushaltekann der Betreiber dann mit Strom ausumweltfreundlicher Wasserkraft versor-gen. Zusätzlich werden Maßnahmen zurökologischen Aufwertung durchgeführt.

knecht Gripper-TBM einsetzte. In rundfünfeinhalb Monaten bohrte die TBM2,8 km Stollen durch phylitischen Schie-fer, Quarzit, Kalkglimmerschiefer undGrünschiefer mit Bänderkalk und er-reichte dabei Vortriebsleistungen vonbis zu 72 m/d bzw. 322 m/Woche. Am10. September 2013 erfolgte schließlichder erfolgreiche Durchbruch.

Second tunnel breakthrough on the Schwäbisch Alb

iar for all parties, advance rates of up to8 m are possible.

At the Boßler Tunnel, the main tun-nel will be driven by the shotcretemethod following completion of the in-

The tunnelling works of the DeutscheBahn AG in the Albaufstieg (ascent) sec-tion of the new line from Wendlingen toUlm are progressing quickly, and thesecond breakthrough could already becelebrated by the tunnellers on 17 De-cember 2013. On the south drive, thetunnel section at Hohenstadt betweenthe starting excavation at Pfaffenäckerand the cutting to the Hohenstadt por-tal, the bores for the future new lineStuttgart-Ulm were also broken through.The breakthrough of the other 430 mlong bore for the future track Ulm-Stuttgart had already taken place on30 October 2013.

Since the breakthrough in the summer, 2,946 m of tunnels have beendriven at the Steinbühl Tunnel near Hohenstadt and from the intermediatestarting point of the Boßler Tunnel atUmpfental near Gruibingen. Now theconstruction process has become famil-

termediate starting point at Umpfentalfrom about the end of February/start ofMarch 2014. A tunnel boring machineshould also be working from the Aichel-berg portal next year.

The Herrenknecht gripper TBM S-800 (∅3.8 m) with 1,400 kW drive for rapid advance inhard rock (photo: Herrenknecht AG)Die Herrenknecht-Gripper-TBM S-800 (∅3,8 m) mit 1.400-kW-Antrieb für schnelles Voran-kommen im Hartgestein (Foto: Herrenknecht AG)

Steinbühl Tunnel – second breakthrough (photo: Bahnprojekt Stuttgart–Ulm e.V.)Steinbühltunnel – zweiter Durchschlag (Foto: Bahnprojekt Stuttgart–Ulm e.V.)


News

First blast in Wolf

of new tunnels, including the access tunnel, the diversion tunnel for thePadasterbach stream and continuedwork at the landfill site in the Padaster-tal valley. The works will last four year

Construction of the Wolf access tunnelat Steinach am Brenner continues. Thefirst blast took place on schedule on St.Barbara’s day on 4 December 2013. Al-together, the contract comprises 6.8 km

with a contract volume of 104 millionEuro; the contractor is Swietelsky.

Erste Sprengung in Wolf

los 6,8 km neue Tunnel. Zu diesem Bau-los gehören neben dem Zufahrtstunnelder Umleitungsstollen für den Padaster-bach sowie die Weiterarbeit an der De-ponie im Padastertal. Die Arbeiten wer-

Der Vortrieb am Zufahrtstunnel Wolfbei Steinach am Brenner wird fortge-setzt. Die erste Sprengung erfolgtepünktlich zum Barbaratag am 4. Dezem-ber 2013. Insgesamt beinhaltet das Bau-

den vier Jahre dauern. Das Auftragsvolu-men beträgt 104 Mio. Euro. Errichtetwerden die Bauwerke von der FirmaSwietelsky.

Zweiter Tunneldurchschlag auf der Schwäbischen Alb

baustreckengleis Stuttgart-Ulm verläuft,durchgeschlagen. Der Durchschlag derebenfalls rund 430 m langen Röhre,durch die später das Gleis Ulm-Stuttgartführt, erfolgte bereits am 30. Oktober2013.

Seit dem Tunnelanschlag im Sommerkonnten am Steinbühltunnel bei Hohen-stadt sowie am Zwischenangriff Ump-fental des Boßlertunnels bei Gruibingen2.946 m bergmännische Tunnel aufge-fahren werden. Nachdem sich die Bau-abläufe zwischen allen Beteiligten einge-

Die Arbeiten der Deutschen Bahn AGfür den Tunnelbau im ProjektabschnittAlbaufstieg der Neubaustrecke Wend -lingen-Ulm gehen schnell voran. Am17. Dezember 2013 wurde bereits derzweite Tunneldurchschlag auf derSchwäbischen Alb von den Mineurengefeiert. Bei dem sogenannten Südvor-trieb, dem Tunnelabschnitt bei Hohen-stadt zwischen der Baugrube Pfaffen-äcker und dem Geländeeinschnitt desTunnelportals Hohenstadt wurde auchdie Tunnelröhre, in der später das Neu-

spielt haben, sind tägliche Vortriebsleis-tungen von bis zu 8 m möglich.

Beim Boßlertunnel wird nach Fertig-stellung des Zwischenangriffs Umpfentalab etwa Ende Februar/Anfang März2014 von dort der Vortrieb der Haupt-tunnel in Spritzbetonbauweise ausge-führt. Darüber hinaus ist für das nächsteJahr der Einsatz einer Tunnelbohr -maschine vom Portal Aichelberg aus geplant.

Duisbergstraße 13D-58339 Breckerfeld Tel.: +49(0)2338/9181-0 Fax: +49(0)2338 /3401 [email protected]

PcP. Sicherheitsroste GmbH Stahl- und Edelstahlverarbeitung

· einfache Installation und Erweiterung

· hochwertiges Material

· rostfrei

· rutschhemmend

www.pcp-sicherheitsroste.de

INVESTIONEN IN DIE SICHERHEITPcP. TUNNEL-LAUFSTEGE


News

Durchschlag am Scheibengipfeltunnel der Ortsumgehung Reutlingen

Am 27. Januar 2014 durchstieß ein MaxBögl-Bagger mit seinem Reißlöffel dieletzte trennende Wand am Südportalder Baustelle. In rund 15 Monaten wurden die 1.620 m lange Strecke imSpreng- und Baggervortrieb aufgefahren.Im Oktober 2012 haben die bergmänni-schen Arbeiten am Nordportal begon-nen. Die Geologie stellte die Beteiligtenvor einige Herausforderungen, allen voran aufgrund des Antreffens von geo-gen bedingtem Methangas und härterenFelsschichten. Insgesamt wurden bisjetzt im Haupttunnel 123.000 m3 Ge-stein herausgebrochen und abtranspor-tiert, im parallel laufenden Rettungsstol-len waren es 38.000 m³. Derzeit laufendie Vorbereitungen für den Strossen-Sohl-Ausbruch und die nachlaufendenInnenschalenarbeiten. Mit der Fertig -stellung aller Vortriebsarbeiten ist imSommer 2014 zu rechnen.

Breakthrough in the Scheibengipfel Tunnel for the Reutlingen bypass

in October 2012. The geo logy posed afew problems for the tunnelling works,above all the occurrence of methane andharder rock strata. Altogether 123,000 m3

of rock was excavated and cleared fromthe main tunnel, with another 38,000 m³

On 27 January 2014, an excavator belong-ing to Max Bögl tore out the last separat-ing wall at the south portal. In about 15months, 1,620 m has been driven byblasting and excavator muck clearance.Tunnelling started from the north portal

from the parallel escape tunnel. At themoment, preparations are underway forthe excavation of the bench and invertand the subsequent lining works. Com-pletion of all tunnelling works is plannedfor summer 2014.

Breakthrough of the Scheibengipfel Tunnel (photo: Max Bögl)Durchschlag Scheibengipfeltunnel (Foto: Max Bögl)

S 10 Tunnel Götschka – Durchschlag der zweiten Tunnelröhre

(zwei Fahrstreifen plus eine Kriechspurfür Lkw), die Weströhre in Fahrtrich-tung Linz zweispurig errichtet. Die Berg-ab-Röhre des Tunnels Götschka inFahrtrichtung Linz wurde bereits imSeptember 2013 durchgeschlagen.

Der 22 km lange Südabschnitt derS10 Mühlviertler Schnellstraße schließtan das Ende der A7 Mühlkreis Autobahnan. Die Strecke wird voll ausgebaut, alsovierstreifig mit zusätzlichem Abstell -

Zwei Jahre nach dem Startschuss fürden Tunnel Götschka erfolgte am 4. De-zember 2013 der Durchschlag in derOströhre des Tunnels. Der 4,4 km langeTunnel ist das Herzstück der S10 Mühl-viertler Schnellstraße in Oberösterreichund verläuft von Unterweitersdorf bis inden Süden der Gemeinde Neumarkt. Erwird mit zwei Röhren errichtet. Die Ost-röhre in Fahrtrichtung Freistadt/Pragwird wegen der Steigung dreispurig

streifen und baulicher Mitteltrennung(Betonleitwand) im Freiland sowie zwei-röhrig in den Tunneln und Unterflur -trassen. Der Tunnel Götschka ist einervon insgesamt acht Untertagebauwer-ken, also Tunnel oder Unterflurtrassen.Zum Schutz von Anrainern und Umweltverlaufen knapp 10 km – also über 40 %der gesamten Trasse – unterirdisch. DieAsfinag investiert rund 718 Mio. Euro inihr aktuell größtes Projekt.

S 10 Tunnel Götschka – breakthrough of the second bore

HGVs) and the west bore towards Linzhas two lanes. The downhill bore of theTunnel Götschka towards Linz was already broken through in September2013.

The 22 km long southern section ofthe S10 Mühlviertler Schnellstraße con-nects to the end of the A7 Mühlkreis Au-tobahn. The road will be completely im-proved with four lanes and hard shoul-der and constructional central division(concrete barrier) in open sections and

Two years after the start of the TunnelGötschka, the east bore was brokenthrough on 4 December 2013. The4.4 km long tunnel is the main link inthe S10 Mühlviertler Schnellstraße (Expressway) in Upper Austria and runsfrom Unterweitersdorf southward to theNeumarkt district. It is being construct-ed with two bores. The east bore for thecarriageway towards Freistadt andPrague has three lanes due to the gradi-ent (two lanes plus a crawler lane for

with two bores in the tunnels and cut-and-cover sections. The Tunnel Götsch-ka is one of altogether eight under-ground works, tunnels or cut-and-coversections. For the protection of the localinhabitants and the environment, almost10 km – more than 40 % of the entireroute – run underground. The Asfinag isinvesting about 718 million Euro in theircurrently largest project.


News

New Semmering Base Tunnel: Start of the first tunnelling contract

ical conditions on the 8.6 km section,and in the direction of Mürzzuschlagthe tunnel will be driven according tothe principles of the New Austrian Tun-nelling Method (NATM) by blasting andclearing the muck with excavators.(c. 4.3 km). In addition to the tunnellingworks, the contract includes the opera-tion of the landfill site at Longsgraben,where material excavated from all threetunnel contacts will be deposited. AnEU-wide tendering process resulted inthe award of the contract to the consor-tium Swietelsky Tunnelbau/Implenia.The contract sum is about 623 millionEuro.

Intensive work has been underway onthe New Semmering Base Tunnel for al-most two years. After preparatory worksin Lower Austria and Styria, work on thefirst tunnel contract started in theFröschnitzgraben on 7 January 2014, atfirst with preparatory measures likeslope support or the construction of sitefacilities. This will be followed by sink-ing two shafts more than 400 m deepeach with a diameter of about 10 m withcaverns at the bottom. From the cav-erns, the tunnel will be driven towardsGloggnitz and Mürzzuschlag. In the di-rection of Gloggnitz, two tunnel boringmachines will be used due to the geolog-

The 27.3 km long New SemmeringBase Tunnel is designed as a two-boretunnel system and will provide an up-to-date connection between Vienna andGraz along the new southern route. Together with the new main station ofVienna, Graz main station and the Koralmbahn line, the New SemmeringBase Tunnel is one of the most impor-tant projects on the new southern routeand will play an important role in theEuropean rail network as part of theBaltic-Adriatic Corridor running fromDanzig in Poland to Ravenna in Italy.

Porr awarded three contracts on the Vienna underground system

award includes the contracts “Weichen -anlage Favoritenstraße”, “Neulaa” and“Oberlaa”. The construction works in-clude the construction of a switch sys-tem including control box, the stations

Porr has won the latest three contractsfor the Vienna underground system witha volume of 68 million Euro. The threecontracts are for construction works to extend the line U1 to the south. The

at Neulaa and Oberlaa, two stablinghalls, a roof conversion hall for two longtrains, an operations building and vari-ous bridge structures and passenger sub-ways.

Porr erhält drei Baulose im Wiener U-Bahn-Netz

den. Der Zuschlag umfasst die Baulose„Weichenanlage Favoritenstraße“, „Neu-laa“ und „Oberlaa“. Die Bauleistungenbeinhalten unter anderem die Errich-tung einer Weichenanlage inklusiveStellwerk, die Stationen Neulaa und

Porr hat die Ausschreibung der letztendrei Baulose im Wiener U-Bahnnetz miteinem Volumen von 68 Mio. Euro ge-wonnen. Bei den drei Abschnitten han-delt es sich um bauliche Maßnahmenbei der Verlängerung der U1 nach Sü-

Oberlaa, zwei Abstellhallen, eine Dach-revisionshalle für zwei Langzüge, ein Betriebsgebäude sowie verschiedeneBrückenbauwerke und Fußgängerunter-führungen.

Semmering-Basistunnel neu: Baustart des ersten Tunnelbauloses

der geologischen Verhältnisse auf rund8,6 km zwei Tunnelvortriebs maschinenzum Einsatz, Richtung Mürzzuschlag er-folgt der Vortrieb nach den Grundsätzender Neuen Österreichischen Tunnelbau-methode (NÖT) mittels Bagger undSprengungen (ca. 4,3 km). Neben denTunnelbauarbeiten umfasst das Baulosauch den Betrieb der Deponie Longs -graben, in der Tunnelausbruchmaterialvon allen drei Tunnelbaulosen eingebautwird. Aus einem EU-weiten Vergabe -verfahren ging die Bieter gemeinschaftSwietelsky Tunnelbau/Implenia als Bil-ligstbieter hervor. Die Auftragssumme be-trägt rund 623 Mio. Euro.

Seit fast zwei Jahren wird intensiv amSemmering-Basistunnel neu gearbeitet.Nach den Vorarbeiten auf niederösterrei-chischer und steirischer Seite begannenim Fröschnitzgraben am 7. Januar 2014die Arbeiten für das erste Tunnelbaulos.Dabei werden zunächst vorbereitendeMaßnahmen wie Hangsicherungsmaß-nahmen oder die Errichtung der Baustel-leneinrichtungsfläche getroffen. Anschlie-ßend werden zwei mehr als 400 m tiefeSchächte mit einem Durchmesser von je-weils rund 10 m abgeteuft, dann werdenKavernen am Schachtfuß ausgebrochen.Von dort aus erfolgen die Vortriebe Rich-tung Gloggnitz und Mürzzuschlag. InRichtung Gloggnitz kommen aufgrund

Der 27,3 km lange Semmering-Basis-tunnel neu ist als zweiröhriges Tunnel-system konzipiert und sorgt für eine zeit-gemäße Verbindung zwischen Wien undGraz entlang der neuen Südstrecke. Gemeinsam mit dem neuen Hauptbahn-hof Wien, dem Hauptbahnhof Graz undder Koralmbahn ist der Semmering-Basistunnel neu eines der wichtigstenProjekte an der neuen Südstrecke underfüllt als Teil des Baltisch-Adriatischen-Korridors, der von Danzig/Polen bis Ravenna/Italien führt, eine Schlüssel-funktion im europäischen Schienen-netz.


News

Emschergenossenschaft awards a further large contract

tion – the deepest invert point is just lessthan three metres below sea level. Incontrast to the other AKE constructionsections, the sewer will not be installedsolely by pipe jacking but with segmen-tal lining, which enables the driving oflonger sections. The contract with a vol-ume of about 170 million Euro is thesecond largest single contract in the his-

The Emschergenossenschaft awardedconstruction contract 40 of the largesewer Abwasserkanal Emscher (AKE) inDecember 2013. The contract includeconstruction of two sewer tunnels each10 km long with an internal diameter of2.6 m and altogether 15 shafts in the ur-ban area of Oberhausen. The AKE willrun at depths of 25 to 37 m in this sec-

tory of the Emscher rebuilding – thelargest was 423 million Euro (section 30of the AKE between Bottrop and Dort-mund) – and was awarded to Porr. Porris already working on section 20, withtunnelling works being completed re-cently.

Emschergenossenschaft vergibt weiteres Großbaulos

37 m verlegt – der tiefste Sohlpunkt liegtknapp drei Meter unter dem Meeres -spiegel. Anders als in den anderen AKE-Bauabschnitten wird der AbwasserkanalEmscher in diesem Bauabschnitt nichtin Tübbingbauweise erstellt. Dadurchsind längere Vortriebsstrecken möglich.Der Bauauftrag mit einem Gesamtvolu-men von rund 170 Mio. Euro ist derzweithöchste Einzelauftrag in der

Die Emschergenossenschaft hat imDezember 2013 den Bauabschnitt 40 desgroßen Abwasserkanals Emschers(AKE) vergeben. Der Auftrag umfasstden Bau von zwei jeweils 10 km langenAbwasserröhren mit einem Innen-durchmesser von 2,6 m und von insge-samt 15 Schächten im Stadtgebiet vonOberhausen. Der AKE wird in diesemBauabschnitt in Tiefenlagen von 25 bis

Geschichte des Emscher-Umbaus – derhöchste beläuft sich mit 423 Mio. Euro(Bauabschnitt 30 des AKE zwischenBottrop und Dortmund) – und wurde anPorr vergeben. Porr baut bereits den Ab-schnitt 20, wo Vortriebsarbeiten vorkurzem abgeschlossen wurden.

European construction industry considers tunnel under the Baltic

sponsible for the design of the immersedtunnel between Germany and Denmark.Nine international consortia are alreadyinvolved in current tendering for thestructural work of the Fehmarnbelt Tun-nel. The two new contract packages in-clude the internal fittings in the tunnel,i.e the electrical and mechanical systemssuch as lighting, drainage, ventilation,

The industry day on the occasion of twonew tenders for the Fehmarnbelt Tunnelcreated great interest among companiesfrom Germany, Denmark and all overEurope. More than 400 participantsfrom more than 200 different companiescame to Copenhagen on 21 January2014 in order to find out about two newtenders from Femern A/S, who are re-

monitoring and control systems, and al-so the electricity supply for the tunnelincluding building of a new substation.

Companies from Germany, Denmark,England, France, Italy, Spain, Holland,Belgium, Austria, Sweden, Portugal andthe Czech Republic attended at the pre-sentation of the tunnel project and thetwo new contracts. In addition to the of-ficial presentation, the participants hadample opportunity for discussionsamong themselves. The intention wasfor smaller and medium-sized compa-nies to get to know potential businesspartners and investigate possibilities ofjoint ventures as suppliers in order tothen make contact with the consortiawho intend to take part in the tenderingprocess. In the next step of the tender-ing process from February to May, theconsortia can apply for pre-qualification.Then Femern A/S will make a prelimi-nary selection of suitable consortia totake part in the actual tendering in thecourse of the summer.

The overall schedule for the projectintends that the Danish parliament(Folketing) will discus the appropriateconstruction law at the end of 2014 orstart of 2015. For Germany, the approvalof the project is expected in the middleof 2015. Once the Danish constructionlaw has been passed and German offi-cial approval has also been obtained,construction can start in summer 2015.The tunnel should be completed by theend of 2021.

The Femern A/S industry day for the presentation of two new contract packages for the Fehmarnbelt Tunnel project awoke great interest (photo: Femern.de)Auf großes Interesse stieß der Branchentag der Femern A/S zur Vorstellung zweier neuer Vertragspakete für das Projekt Fehmarnbelttunnel (Foto: Femern.de)


News

View from the driver’s cab during the firsttrial run through the Gotthard Base Tunnel(photo: Alp Transit AG)Blick aus dem Führerstand während derersten Testfahrt durch den Gotthard-Basis-tunnel (Foto: Alp Transit AG)

Europäische Bauindustrie nimmt Tunnel unter der Ostsee ins Visier

um die Stromversorgung des Tunnelseinschließlich Bau eines neuen Um-spannwerks.

An der Vorstellung des Tunnelpro-jekts und der beiden neuen Verträge waren Unternehmen aus Deutschland,Dänemark, England, Frankreich, Italien,Spanien, Holland, Belgien, Österreich,Schweden, Portugal und Tschechien an-wesend. Neben den offiziellen Präsenta-tionen hatten die Teilnehmer auch zahl-reiche Gelegenheiten sich untereinan-der auszutauschen. Ziel war es, dass kleinere und mittlere Unternehmen po-tenzielle Geschäftspartner kennenlernenund die Möglichkeit von Joint-Venturesals Zulieferer ausloten konnten, um da-raufhin Kontakt mit den Konsortienaufzunehmen, die sich an den Vertrags-ausschreibungen beteiligen möchten.Als nächsten Schritt im Ausschreibungs-

Der Branchentag anläßlich zwei neuerAusschreibungen zum Fehmarnbelttun-nel weckte großes Interesse bei Unter-nehmen aus Deutschland, Dänemarkund ganz Europa. Mehr als 400 Teilneh-mer aus 200 verschiedenen Unterneh-men kamen am 21. Januar 2014 nachKopenhagen, um sich über zwei neueAusschreibungen von Femern A/S, derPlanungsgesellschaft des Tunnels zwi-schen Deutschland und Dänemark, zuinformieren. Neun internationale Kon-sortien nehmen bereits an den laufen-den Ausschreibungen für den Rohbaudes Fehmarnbelttunnels teil. Die zweineuen Vertragspakete umfassen zum ei-nen die Innenausstattung des Tunnels,d. h. dessen elektrische und mechani-sche Anlagen wie die Beleuchtung, Drä-nage, Ventilation, Überwachung undKontrollsysteme. Zum anderen geht es

prozess können die Konsortien von Feb-ruar bis Mai ihre Präqualifikation bean-tragen. Hiernach wird Femern A/S imLaufe des Sommers eine Vorauswahlder geeigneten Konsortien treffen, dieanschließend an den eigentlichen Aus-schreibungen teilnehmen können.

Im übergeordneten Zeitplan für dasVorhaben ist vorgesehen, dass das däni-sche Parlament (Folketing) Ende 2014oder Anfang 2015 das entsprechendeBaugesetz behandelt. Für Deutschlandwird die Genehmigung des Projekts Mit-te 2015 erwartet. Wenn das dänischeBaugesetz verabschiedet wurde undauch die deutsche behördliche Ge -nehmigung vorliegt, kann der Bau imSommer 2015 beginnen. Der Tunnel sollEnde 2021 fertiggestellt sein.

Trial operation commenced in the Gotthard Base Tunnel

various processes, systems and plantsuch as track, overhead, electricity supply, tunnel control technology, trainprotection and safety and operationalcommunications. Trains will run on thetest section at maximum speeds of220 km/h until June 2014. The trial op-eration is taking place under the man-agement of AlpTransit Gotthard AG.The necessary crews and rolling stockhave been provided by Swiss railwaysSBB. Parallel to this, installation of rail-way equipment continues in the remain-ing sections of the Gotthard Base Tun-nel. The six months of trial operationare an important precondition for thehandover of a tunnel ready for service tothe Swiss Federation and the SBB at thestart of June 2016.

In December 2013, the first train ran onthe trial section between Bodio and Faido with a speed of 160 km/h. Trialoperation delivers important informa-tion for the planned start of scheduledservices through the Gotthard BaseTunnel in December 2016. The approxi-mately 13 km long trial section in thewest bore of the Gotthard Base Tunnelbetween the south portal at Bodio andthe multifunction station at Faido is al-ready completely equipped with the nec-essary rail equipment. Test runs will beundertaken on about 100 days until June2014. The intention of trial operation isto provide initial confirmation that theentire tunnel system complies with thespecified requirements. The trials willtest the complex interaction between the

Versuchsbetrieb im Gotthard-Basistunnel aufgenommen

gen ausgerüstet. Bis im Juni 2014 wer-den an rund 100 Tagen Tests durchge-führt. Ziel des Versuchsbetriebs ist eineerste Bestätigung, dass das gesamte Tun-nelsystem den gestellten Anforderungenentspricht. Getestet wird das komplexeZusammenspiel der verschiedenen Ab-läufe, Systeme und Anlagen wie Fahr-bahn, Fahrleitung, Stromversorgung,Tunnelleittechnik, Zugsicherung sowieSicherheit und innerbetriebliche Kom-munikation. Die Versuchsstrecke wirdbis im Juni 2014 mit Geschwindigkeiten

Im Dezember 2013 fuhr zum ersten Malein Zug auf der Versuchsstrecke zwi-schen Bodio und Faido mit einer Ge-schwindigkeit von 160 km/h. Der Ver-suchsbetrieb liefert wichtige Erkenntnis-se im Hinblick auf die fahrplanmäßigeInbetriebnahme des Gotthard-Basistun-nels im Dezember 2016. Die rund 13 kmlange Versuchsstrecke in der Weströhredes Gotthard-Basistunnels zwischendem Südportal bei Bodio und der Multi-funktionsstelle Faido ist bereits kom-plett mit den nötigen Bahntechnikanla-

bis zu maximal 220 km/h befahren. DerVersuchsbetrieb findet unter der Leitungder AlpTransit Gotthard AG statt. Daserforderliche Lokpersonal und Rollma-terial hat die AlpTransit Gotthard AGbei den SBB gemietet. Parallel dazuwird der Einbau der Bahntechnik in denübrigen Abschnitten des Gotthard-Basis-tunnels weitergeführt. Der sechsmonati-ge Versuchsbetrieb ist eine wichtige Voraussetzung, damit Anfang Juni 2016dem Bund und der SBB ein betriebsbe-reiter Tunnel übergeben werden kann.


News

Issue Publication date Topics

2/14 April 2014 Focus on IndiaUnterirdisches Bauen in Indien

3/14 June 2014 Large Projects in AustriaGroßprojekte in Österreich

4/14 August 2014 Landslides and interaction with infrastructuresErdrutsche und Auswirkungen auf die Infrastruktur

5/14 October 2014 Proceedings of the 63rd Geomechanics ColloquiumBeiträge des 63. Geomechanik-Kolloquiums

6/14 December 2014 Austrian Tunnel DayÖsterreichischer Tunneltag

Themen für die nächsten Ausgaben der „Geomechanics and Tunnelling“

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 sollten online eingereicht werden (http://mc.manuscriptcentral.com/geot).

Darüber hinaus sind Baustellen -reportagen, technische Berichte undMitteilungen aus der Industrie jederzeitwillkommen.

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

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 exercise, all contributions should be submitted at least four months beforethe publication date. Papers should be submitted online via http://mc.manuscriptcentral.com/geot.

Site reports, technical reports andnews items from the construction indus-try are of course also welcome.

Jäger Bau erstellt Wasserüberleitungstunnel in Kreta

Wasserreservoir (Aposelemis-Dam)durch einen 3,5 km langen Tunnel ge -leitet werden. Von dort wird das Wasserüber Pumpleitungen und nach entspre-chender Aufbereitung in die Trinkwas-sernetze von Heraklion und Agios Niko-laos eingespeist.

Neben der für eine Neigung von 15 %adaptierten Tunnelbohrausrüstung lie-fert Jäger weiteres Spezialgerät und wirdauch Fachpersonal in Schlüsselstellun-

Das österreichische Unternehmen JägerBau wird im Auftrag der griechischenBaufirma Intrakat im Rahmen eines Service-Vertrags den Tunnelvortrieb miteiner 5 m-Doppelschild- Tunnelbohr -maschine und Tübbing-Vollauskleidungmaßgeblich begleiten. Zukünftig sollWasser vom geschichtsträchtigen Lassit-hi-Plateau auf Kreta (Zeus soll hier derSage nach geboren worden sein) in einneu geschaffenes 600 m tiefer gelegenes

gen vor Ort einsetzen sowie Beratungs-dienste leisten und Planungsleistungenerbringen. Der TBM-Vortrieb wird 2014starten und im Sommer 2015 abge-schlossen sein. Jäger hat große Erfah-rung mit der Errichtung von Wasser-überleitungsstollen; ähnliche Projektewurden in den letzten Jahren in Spa-nien, Südamerika und Südafrika reali-siert.

Jäger Bau building a water supply tunnel on Crete

reservoir 600 m lower down (Apose-lemis Dam) through a 3.5 km long tunnel. From there, the water will bepumped after appropriate treatment intothe water supply networks of Heraklionand Agios Nikolaos.

In addition to the tunnel boringequipment adapted for the gradient of15 %, Jäger will deliver special machin-

The Austrian company Jäger Bau willprovide essential tunnelling assistanceto the Greek company Intrakat with a5 m double shield tunnel boring ma-chine and full segment lining under aservice contract. The water will in thefuture be fed from the historic LassithiPlateau on Crete (the mythologicalbirthplace of Zeus) into a newly built

ery and expert staff in key positions onsite, together with consulting and designservices. The TBM drive should start in2014 and be completed in summer 2015.Jäger has wide experience with the con-struction of water supply tunnels, havingimplemented similar projects in Spain,South America and South Africa in re-cent years.

Stellenanzeigen

Fu

ll P

rofe

sso

r/C

hai

r o

f A

pp

lied

Geo

ph

ysic

s

The

Mon

tanu

nive

rsita

et L

eobe

n, A

ustr

ia,

invi

tes

appl

icat

ions

for

its

Cha

ir of

App

lied

Geo

phys

ics

(ful

l tim

e em

ploy

men

t).

The

cha

ir is

ass

ocia

ted

with

the

Dep

artm

ent

of A

pplie

d G

eosc

ienc

es a

nd G

eoph

ysic

s (D

AG

G).

T

he D

AG

G is

par

t of

an

allia

nce

of S

tyria

n un

iver

sitie

s in

the

fie

ld o

f ap

plie

d ge

osci

ence

s (U

ZA

G).

Qua

lifie

d ar

e re

sear

cher

s of

inte

rnat

iona

l rep

ute

and

expe

rienc

e in

the

fie

ld o

f App

lied

Geo

phys

ics

as d

ocum

ente

d by

a t

rack

rec

ord

in a

cade

mic

and

indu

stry

-fun

ded

rese

arch

pro

ject

s in

clud

ing

field

stud

ies

and

/ or

JIP

s. T

he w

illin

gnes

s to

eng

age

in m

ultid

isci

plin

ary

rese

arch

pro

ject

s to

geth

er w

ithco

lleag

ues

from

Pet

role

um,

Min

ing

and

Sub

surf

ace

Eng

inee

ring,

the

UZ

AG

, an

d st

akeh

olde

rs in

the

priv

ate

and

publ

ic s

ecto

r is

ess

entia

l. E

xam

ples

of

appr

opria

te r

esea

rch

area

s in

clud

e, b

ut a

re n

otlim

ited

to:

rese

rvoi

r ch

arac

teriz

atio

n, m

odel

ing

and

mon

itorin

g; s

eism

ic p

roce

ssin

g an

d at

trib

ute

anal

ysis

incl

udin

g al

gorit

hm d

evel

opm

ent;

coup

led

inve

rsio

n of

sei

smic

and

oth

er g

eoph

ysic

al d

ata;

non-

conv

entio

nal h

ydro

carb

on r

esou

rces

; bo

reho

le g

eoph

ysic

s an

d pe

trop

hysi

cs.

The

Cha

ir of

App

lied

Geo

phys

ics

cont

ribut

es s

ubst

antia

lly t

o th

e de

sign

and

tea

chin

g of

the

BS

c/M

Sc

prog

ram

s in

App

lied

Geo

scie

nces

, P

etro

leum

Eng

inee

ring,

and

Res

ourc

e E

ngin

eerin

g. S

ever

alco

urse

s ar

e ta

ught

in E

nglis

h, b

ut t

he k

now

ledg

e of

the

Ger

man

lang

uage

is a

n ad

vant

age.

Pre

requ

isite

s fo

r an

app

oint

men

t at

the

ful

l pro

fess

or le

vel a

re a

PhD

in t

he f

ield

of

rese

arch

, an

d a

habi

litat

ion

or e

quiv

alen

t de

mon

stra

tion

of t

he a

bilit

y to

tea

ch,

supe

rvis

e gr

adua

te s

tude

nts,

attr

act

rese

arch

fun

ding

, an

d su

cces

sful

ly c

ondu

ct r

esea

rch

proj

ects

.

The

sal

ary

depe

nds

on t

he le

vel o

f ex

perie

nce

with

a m

inim

um o

f 64

.417

€ p

er y

ear

for

full-

time

empl

oym

ent

at t

he A

1 jo

b-le

vel c

lass

ifica

tion

of t

he A

ustr

ian

univ

ersi

ty la

w.

It is

neg

otia

ble.

The

Mon

tanu

nive

rsita

et L

eobe

n is

str

ivin

g to

incr

ease

the

rep

rese

ntat

ion

of w

omen

in it

s fa

culty

.T

here

fore

, w

e ex

plic

itly

enco

urag

e qu

alifi

ed f

emal

e re

sear

cher

s to

app

ly a

nd s

tres

s th

at –

giv

eneq

uiva

lent

ski

lls –

the

ir re

crui

tmen

t ta

kes

prec

eden

ce.

App

licat

ions

sho

uld

incl

ude

a cu

rric

ulum

vita

e, d

escr

iptio

n of

res

earc

h in

tere

sts

and

visi

on w

ith r

efer

-en

ce t

o th

e re

sear

ch p

rofil

e of

the

Mon

tanu

nive

rsita

et (

http

://w

ww

.uni

leob

en.a

c.at

), a

s w

ell a

s th

e 5

mos

t im

port

ant

publ

icat

ions

; al

l sup

plie

d vi

a C

D R

OM

or

US

B f

lash

driv

e, 5

cop

ies.

The

y sh

ould

be

dire

cted

to

the

Rec

tor

of t

he M

onta

nuni

vers

itaet

Leo

ben,

Fra

nz-J

osef

-Str

asse

18,

8700

Leo

ben,

Aus

tria

. App

licat

ion

dead

line

is 3

1/03

/201

4. F

or m

ore

info

rmat

ion,

ple

ase

cont

act

the

head

of

the

sear

ch c

omm

ittee

: P

rof.

R.F

. S

achs

enho

fer,

Tel.:

+43

384

2 40

2 63

00,

rein

hard

.sac

hsen

hofe

r@un

ileob

en.a

c.at

.

An

der

Mon

tanu

nive

rsitä

t Le

oben

, Ö

ster

reic

h, is

t ei

ne P

rofe

ssur

fur

An

gew

and

te G

eop

hys

ikin

For

m e

ines

unb

efris

tete

n pr

ivat

rech

tlich

en D

iens

tver

hältn

isse

s zu

r M

onta

nuni

vers

ität

Leob

en n

ach

Ang

este

llten

gese

tz in

vol

lem

Bes

chäf

tigun

gsau

smaß

zu

bese

tzen

.

Der

Leh

rstu

hl is

t de

m D

epar

tmen

t Ang

ewan

dte

Geo

wis

sens

chaf

ten

und

Geo

phys

ik (

DA

GG

) zu

geor

dnet

. D

as D

AG

G is

t Tei

l des

Uni

vers

itäts

zent

rum

s A

ngew

andt

e G

eow

isse

nsch

afte

n S

teie

rmar

k (U

ZA

G).

Ges

ucht

wird

ein

e P

ersö

nlic

hkei

t vo

n in

tern

atio

nale

m R

ang,

die

im B

erei

ch d

er A

ngew

andt

en G

eoph

ysik

w

isse

nsch

aftli

ch h

ervo

rrag

end

ausg

ewie

sen

ist.

Fol

gend

e F

orsc

hung

ssch

wer

punk

te s

ind

fur

die

Mon

tan-

univ

ersi

tät

von

beso

nder

em I

nter

esse

:

•R

eser

voir

Cha

rakt

eris

ieru

ng,

Mod

ellie

rung

und

Mon

itorin

g•

Sei

smis

che

Dat

enbe

arbe

itung

, Attr

ibut

anal

yse

und

Ent

wic

klun

g vo

n R

eche

nalg

orith

men

•G

ekop

pelte

Inv

ersi

on v

on s

eism

isch

en u

nd a

nder

en g

eoph

ysik

alis

chen

Dat

en•

Unk

onve

ntio

nelle

Koh

lenw

asse

rsto

ffvor

kom

men

•B

ohrlo

chge

ophy

sik

•P

etro

phys

ik

Aus

land

stät

igke

it, I

nter

esse

und

Mita

rbei

t an

Fel

dstu

dien

, so

wie

Erf

ahru

ng b

ei d

er D

urch

fuhr

ung

von

For

-sc

hung

spro

jekt

en m

it In

dust

riebe

teili

gung

wird

vor

ausg

eset

zt.

Die

Ber

eits

chaf

t zu

r in

terd

iszi

plin

ären

Zu -

sam

men

arbe

it m

it F

achk

olle

gen/

inne

n in

nerh

alb

der

Uni

vers

ität

(Pet

role

um/M

inin

g/S

ubsu

rfac

e E

ngin

eerin

g),

des

UZ

AG

, de

r In

dust

rie u

nd ö

ffent

liche

r S

telle

n w

ird e

rwar

tet.

Der

Leh

rstu

hl A

ngew

andt

e G

eoph

ysik

trä

gt m

aßge

blic

h zu

r A

usric

htun

g un

d U

mse

tzun

g de

r B

Sc

und

MS

cP

rogr

amm

e „A

ngew

andt

e G

eow

isse

nsch

afte

n“,

“Pet

role

um E

ngin

eerin

g“ u

nd „

Roh

stof

finge

nieu

rwes

en“

bei.

In e

inem

Tei

l die

ser

Pro

gram

me

ist

Eng

lisch

die

Unt

erric

htss

prac

he.

Ans

tellu

ngse

rfor

dern

isse

sin

d ei

n ab

gesc

hlos

sene

s U

nive

rsitä

tsst

udiu

m u

nd e

in D

okto

rat

in d

em z

u ve

r -tr

eten

den

Fac

h. D

ie H

abili

tatio

n od

er e

ine

glei

chw

ertig

e w

isse

nsch

aftli

che

Qua

lifik

atio

n un

d di

e pä

dago

-gi

sche

und

did

aktis

che

Eig

nung

sin

d na

chzu

wei

sen.

Die

Beh

errs

chun

g de

r de

utsc

hen

Spr

ache

ist

von

Vor

-te

il.

Die

Ein

stuf

ung

erfo

lgt

in V

erw

endu

ngsg

rupp

e A

1 n

ach

Uni

vers

itäte

n-K

olle

ktiv

vert

rag.

In

dies

er E

inst

ufun

gbe

träg

t da

s ko

llekt

ivve

rtra

glic

he M

inde

stja

hres

entg

elt

bei V

ollz

eitb

esch

äftig

ung

€ 6

441

7,–.

Ein

höh

eres

Ent

gelt

kann

zum

Geg

enst

and

von

Ver

hand

lung

en g

emac

ht w

erde

n.

Die

Mon

tanu

nive

rsitä

t Le

oben

str

ebt

eine

Erh

öhun

g de

s A

ntei

ls v

on F

raue

n an

und

for

dert

qua

lifiz

iert

e W

is-

sens

chaf

tlerin

nen

nach

druc

klic

h au

f, si

ch z

u be

wer

ben.

Bei

gle

iche

r Q

ualif

ikat

ion

wer

den

Fra

uen

bevo

rzug

tei

nges

tellt

.

Bew

erbu

ngen

mit

den

ublic

hen

Unt

erla

gen

(Leb

ensl

auf,

Nac

hwei

s de

r ob

en a

ngef

uhrt

en A

nste

llung

s-er

ford

erni

sse,

Dar

stel

lung

der

bis

herig

en F

orsc

hung

s- u

nd L

ehrt

ätig

keit,

Kop

ien

der

funf

wic

htig

sten

Pub

lika-

tione

n) s

owie

ein

e D

arst

ellu

ng d

er e

igen

en F

orsc

hung

splä

ne u

nd A

bsic

hten

im H

inbl

ick

auf

das

For

schu

ngs-

prof

il de

r M

onta

nuni

vers

ität

Leob

en s

ind

im P

ostw

ege

(alle

Unt

erla

gen

5-fa

ch a

uf C

D-R

OM

ode

r U

SB

-Stic

k)ei

nlan

gend

bis

spä

test

ens

31.0

3.20

14 a

n de

n R

ekto

r de

r M

onta

nuni

vers

ität

Leob

en,

Uni

v.-P

rof.

Dip

l.-In

g.

Dr.

Wilf

ried

Eic

hlse

der,

Fra

nz-J

osef

-Str.

18,

A-8

700

Leob

en,

zu s

ende

n.

Aus

kunf

te e

rtei

lt de

r V

orsi

tzen

de d

er B

eruf

ungs

kom

mis

sion

der

Mon

tanu

nive

rsitä

t Le

oben

, U

niv.

-Pro

f. D

r. R

einh

ard

F. S

achs

enho

fer,

Fra

nz-J

osef

-Str

aße

18,

8700

Leo

ben,

Öst

erre

ich,

e-

mai

l: re

inha

rd.s

achs

enho

fer@

unile

oben

.ac.

at, T

el.:

+43

384

2 40

2 63

00.

Dr. Vavrovsky erhält Stuva-Preis 2013

ersten zehn Berufsjahren war Dr. Vavrovsky Mitarbeiter und später Ge-sellschafter der Ingenieurgemeinschaftfür Geotechnik und Tunnelbau in Salz-burg um Prof. Pacher, bevor er ganz zurBahn wechselte. Er war dort zunächstvon 1989 bis 2004 Technischer Vorstandder EisenbahnhochleistungsstreckenAG, Wien und später RessortvorstandProjektmanagement/Technik der ÖBB-Infrastruktur AG Wien. In diese Zeit fielen die Realisierung großer Teile desHochgeschwindigkeitsnetzes der Öster-reichischen Bahnen.

Dr. Vavrovsky war ein Wegbereiter fürden Einsatz und die Verwertung von Fort-schritten in der Messtechnik zur verbes-

In Anerkennung und Würdigung seinerlangjährigen Verdienste um den Tunnel-bau hat die Studiengesellschaft für un-terirdische Verkehrsanlagen e.V. denStuva-Preis 2013 an Herrn Baurat h. c.Dipl.-Ing. Dr. mont. Georg-Michael Vavrovsky verliehen. Sowohl im Tunnel-bau als auch bei sonstigen geotechni-schen Problemstellungen hat er neueWege beschritten und innovative Lösun-gen entwickelt.

In seiner Laudatio ordnet der Stuva-Vorsitzende Prof. Dr. Martin Ziegler denPreisträger dem „Salzburger Kreis“ umdie Tunnellegenden Müller, Pacher undRabcewicz zu, denen er seine fachlichenWurzeln zu verdanken hat. In den

serten Beurteilung des Gebirgs- und Sys-temverhaltens und für die Dimensionie-rung der Stützmaßnahmen im Tunnelbau.Die Kombination der vortriebsorientier-ten Verformungsdarstellung mit der zeitli-chen Entwicklung wurde maßgeblich vonihm entwickelt. Mit seinen Arbeiten hater dazu beigetragen, dass Tunnelbauvor-haben noch sicherer und wirtschaftlicherdurchgeführt werden konnten.

Er entwickelte Systeme und Metho-den zur Erhöhung der Prognosegenauig-keit und der Kostenstabilität für Ver-kehrsinfrastrukturprojekte. Die kontinu-ierlich erzielte hohe Kostenstabilität imübertragenen Projektvolumen bestätigtden Erfolg seiner Methodik. Eine quali-


People

Dr. Vavrovsky awarded the Stuva Prize 2013

sioned project volumes confirms thesuccess of his methods. A high-qualitydesign is for him one of the central fac-tors influencing the development of aproject with enormous leverage on thecosts, quality and progress. In this re-gard, he made a decisive contributionregarding these points to the Austriancontract award law and its related docu-ments.

The furthering of a qualified cultureamong designers and clients and the development of a systematic-cyberneticunderstanding of project managementwith all its basics and constraints arestill important matters for Vavrovsky. Ashe made clear in his acceptance speech:

In recognition and appreciation of hislong years of service to tunnelling, the Research Association for Under-ground Transport Facilities (Stuva) hasawarded the Stuva Prize 2013 to Dr.Georg-Michael Vavrovsky. Not only intunnelling but also in other geotechnicalproblems, he has trodden new paths anddeveloped innovative solutions.

In his laudation, the Stuva chairmanProf. Dr. Martin Ziegler related theprize-winner to the “Salzburger Circle”of the tunnelling legends Müller, Pacherand Rabcewicz, from whom he deriveshis technical roots. In the first ten yearsof his career, Dr. Vavrovsky was an em-ployee and later director of the Inge-nieurgemeinschaft für Geotechnik undTunnelbau in Salzburg with Prof. Pacher, before moving entirely into railways, first from 1989 to 2004 as tech-nical director of Eisenbahnhochleis-tungsstrecken AG, Vienna and later asdirector responsible for project manage-ment and technology with ÖBB-Infra-struktur AG, Vienna. During this period,most of the Austrian high-speed rail net-work was implemented.

Dr. Vavrovsky was a pathfinder in theapplication and exploitation of progressin measurement technology for im-proved observation of rock mass andsystem behaviour and for the design ofsupport measures in tunnelling. Thecombination of advance-oriented defor-mation display with the developmentwith time was essentially developed byhim. His work has contributed to en-abling the safer and more economicconstruction of tunnel projects.

He developed systems and methodsto improve the forecasting precision andcost stability of transport infrastructureprojects. The constant achievement ofcost stability considering the commis-

“we must continue to succeed in plac-ing well-founded trust before excessivecontrol, turn close obedience to guide-lines into allowing space for designersand allow the motivation of specialiststo come from internal impetus ratherthan from external pressure. And itshould also be our common concern toagain give intentional partnership andcooperation precedence over short-termself-interest or unfair behaviour, be-cause the durability and cost-effective-ness of our works demand engineeringexpertise with holistic thinking and ac-tion. With insufficient trust, lack of co-operation or sluggish motivation, thisaim will seldom be achieved.”

Dr. Vavrovsky with the Stuva Prize. The stainless steel sculpture on a plinth of diabase wasspecially made for STUVA by the artist Will Brüll from the Lower Rhine. It represents an excavated cavityDr. Vavrovsky mit dem Stuva-Preis. Die von dem niederrheinischen Künstler Will Brüll eigens für die Stuva geschaffene Edelstahl-Plastik auf einem Sockel aus Diabas verkörperteinen herausgelösten Hohlraum


People

Prize for young tunnellers awarded to Susanne Fehleisen

Fehleisen. The final selection wasthrough a survey of the public at the lec-ture event, with the content of the talks,

On the occasion of the conference “Tun-nels – Infrastructure for the future”, theGerman Research Association for Un-derground Transportation Facilities(Stuva) has awarded the prize for youngtunnelers to Susanne Fehleisen, fromthe project management for Koralm-bahn 3, New Construction and Upgrad-ing. As part of the “Young Forum”, fouryoung and highly qualified women fromall specialist areas of tunnelling wereable to report on new developments intheir respective fields. All specialist areasof tunnelling are included: design, con-struction, operation, safety questions,environmental protection, theory, test-ing, economics, finance and marketing.The talks had already been selected ear-ly in the year from applications, includ-ing that from Susanne Fehleisen. “I amresponsible for safety questions in theproject management and supervise im-plementation in the construction phase,so I talked about the subject “KoralmTunnel: the implementation of rescueand fire protection plans for complexunderground construction sites throughthe example of the main contract”, says

the type of graphic display and the man-ner of presentation being evaluated.

Susanne Fehleisen mit Stuva-Nachwuchspreis ausgezeichnet

weiligen Gebiet zu berichten. Dabei sindalle Fachbereiche des unterirdischenBauens einbezogen wie Planung, Bau-ausführung, Betrieb, Sicherheitsfragen,Umweltschutz, Theorie, Versuchswesen,Wirtschaftlichkeit, Finanzierung undMarketing. Die Vorträge wurden bereitsim Frühjahr aus den Einreichungen aus-gewählt, darunter auch jener von Susan-ne Fehleisen. „Ich bin in der Projekt -leitung zuständig für die Sicherheits -themen und begleite die Umsetzung in

Die deutsche Studiengesellschaft für un-terirdische Verkehrsanlagen (Stuva) hatanlässlich der Stuva-Tagung 2013 „Tun-nel – Infrastruktur für die Zukunft“ Susanne Fehleisen, Mitarbeiterin derProjektleitung Koralmbahn 3, Neu- undAusbau, mit dem Stuva-Nachwuchspreisausgezeichnet. Im Rahmen des „JungenForums“ hatten vier junge hochqualifi-zierte MitarbeiterInnen aus allen Fach -sparten des Tunnelbaus die Möglichkeit,über Neuentwicklungen aus ihrem je-

der Bauphase. Daher habe ich zum The-ma ‚Koralmtunnel: Die Umsetzung desRettungs- und Brandschutzkonzeptesfür komplexe Untertagebaustellen amBeispiel das Hauptbauloses“ vorgetra-gen, berichtet Fehleisen. „Die Endaus-wahl erfolgte aufgrund einer Bewertungdurch das Publikum der Vortragsveran-staltung, wobei der Vortragsinhalt, dieArt der bildlichen Darstellung und dieVortragsweise in die Beurteilung ein -gingen.“

Susanne Fehleisen from the project management for Koralmbahn 3, New Construction andUpgrading , receives the STUVA prize for young tunnellers in the field of underground con-struction Susanne Fehleisen, Mitarbeiterin der Projektleitung Koralmbahn 3, Neu- und Ausbau, erhältden Stuva-Nachwuchspreis auf dem Gebiet des unterirdischen Bauens

tätsvolle Planung steht für ihn als eineder zentralsten Einflussgrößen in derProjektabwicklung mit enormer Hebel-wirkung auf Kosten, Qualität und Zeitablauf des Projektes. Er hat diesbe-züglich das Bundesvergabegesetz Öster-reichs bzw. die Materialien zum Bundes-vergabegesetz in diesen Punkten ent-scheidend mitgestaltet.

Die Förderung einer qualifizierten Pla-nungs- und Bauherrnkultur, aber auchdie Entwicklung eines systemisch-

kybernetischen Projektmanagement-Verständnisses mit all seinen Grund lagenund Rahmenbedingungen sind Vavrov-sky bis heute ein wichtiges Anliegen. Sobetont er in seinen Dankesworten: „Esmuss uns wieder gelingen, begründetesVertrauen vor überbordende Kontrolle zustellen, richtlinienhörige Enge in gestal-tende Weiten zu kehren und fachlichesEngagement aus innerem Drang undnicht durch äußeren Zwang entstehen zulassen. Und es muss uns auch ein ge-

meinsames Anliegen sein, einer zielge-richteten Partnerschaft und Kooperationwieder den Vorrang vor kurzfristigem Ei-gennutz oder unfairem Verhalten einzu-räumen. Denn die Dauerhaftigkeit undWirtschaftlichkeit unserer Werke brauchtingenieurmäßigen Sachverstand undbraucht ganzheitliches Denken undHandeln. Mit mangelndem Vertrauen,fehlender Kooperation und lahmendemEngagement wird dieses Ziel wohl kaumzu erreichen sein.“


„Geomechanik und Tunnelbau“ im Gespräch mit HerrnThomas Edelmann, Leitung Forschung + EntwicklungTraffic Tunnelling, Herrenknecht AG.

Herr Edelmann, Sie leiten die Forschungs- und Ent-wicklungsabteilung der Geschäftseinheit Traffic Tunne-ling der Herrenknecht AG in Schwanau. Statistisch ge -sehen, wird im Baubereich verglichen mit anderen Industriesparten weitaus weniger in Forschung und Entwicklung investiert. Die wenigsten Firmen in diesemBereich verfügen überhaupt über eine Forschungs- undEntwicklungsabteilung. Haben Sie dazu eine Er klärung?

Es ist sinnvoll, in der Baubranche zwischen bauausführen-den Unternehmen und Lieferanten zu unterscheiden.Übergreifend werden immer wieder – zusammen mit For-schungseinrichtungen wie Universitäten und auch Pla-nern – ganz gezielt Weiterentwicklungen angestoßen undfortgeführt. Der maschinelle Tunnelbau nimmt zudem ei-ne Sonderstellung ein. Tunnelbohrmaschinen im Groß-durchmesser-Bereich sind Unikate, an vielfältige Rahmen-bedingungen der Baustelle angepasst. Unsere Kunden be-nötigen immer wieder spezielle Lösungen, um einen Tun-nel bauen zu können. Forschung und Entwicklungpassiert daher nah am Projekt. Die F+E-Mitarbeiter undKonstruktion arbeiten hierzu mit Spezialisten aus ver-schiedenen Fachbereichen zusammen. Bis zu einem be-stimmten Termin muss eine Lösung gefunden sein. Undsie muss sich vor allem in der Praxis auszahlen. Eine be-sonders effiziente Konstellation.

Die übergeordnete Entwicklungsarbeit wird bei Her-renknecht maßgeblich von den Themen Bausicherheit,Leistungssteigerung, Wirtschaftlichkeit sowie maximalerUmweltverträglichkeit bestimmt. Energieeffizienz der Tun-nelbohrmaschinen ist eines der Themenfelder, hier istnoch viel zu tun. Neben der fortlaufenden Weiterentwick-lung Know-how-intensiver und leistungsentscheidenderKomponenten und Einzelsysteme arbeiten wir kontinuier-lich an Verfahrensinnovationen. Direct Pipe, von unserenKollegen aus dem Geschäftsbereich Utility Tunnelling, istein Beispiel hierfür, eine von Herrenknecht entwickelteKombination des klassischen Microtunnelling und desHorizontal Directional Drilling. In einem Arbeitsschritterfolgt sowohl der Bodenabbau als auch der Einzug dervorgefertigten Pipeline. Inzwischen hat sich das Verfahrenweltweit in der Branche etabliert.

Interview

High innovation potential for mechanised tunnelling

Hohes Innovationspotenzial für den maschinellenTunnelbau

“Geomechanics and Tun-nelling” talked with ThomasEdelmann, Manager of Re-search and Development inTraffic Tunnelling, Her-renknecht AG.

Herr Edelmann, you are incharge of the research anddevelopment department inthe business unit TrafficTunnelling at HerrenknechtAG in Schwanau. Statisticsshow that the construction

industry invests far less in research and development thanother branches of industry. Few companies in our indus-try even have research and development departments. Doyou have an explanation for this?

It makes sense to differentiate between contractors andsuppliers in the construction industry. Overall, develop-ments are often started and carried through with distinctaims, often in collaboration with research institutions likeuniversities and also consultants. Mechanised tunnellingalso has a special position. Large-diameter tunnel boringmachines are one-off constructions, adapted to the widerange of conditions on each site. Our customers oftenneed special solutions in order to be able to build a partic-ular tunnel. Research and development therefore takesplace close to the project. The R&D and design depart-ments collaborate with specialists from various profes-sions. A solution has to be found by a certain date, and itmust above all work in practice; a particularly efficientcombination.

More general research work at Herrenknecht is most-ly concerned with construction safety, performance im-provement, cost-effectiveness and maximising environ-mental acceptability. Energy efficiency of tunnel boringmachines is one of the fields where there is plenty to do.In addition to continuous development of the compo-nents and individual systems, which demand intensiveknow-how and are decisive for performance, we are con-tinuously working on process innovations. Direct Pipe,from our colleagues in the Utility Tunnelling department,is an example of this, a combination of classic Microtun-nelling and Horizontal Directional Drilling developed by


Herrenknecht. The excavation of the soil and the inser-tion of the prefabricated pipeline take place in one work-ing step. The process has now become established al overthe world.

Do you see corresponding innovation potential for the future in mechanised tunnelling?

Yes, naturally. In general, the state of development is at ahigh level. But there is always something to optimise. Thedevelopments of the past will continue in the future. Tunnels are a key component of many infrastructure projects, they cross natural and artificial barriers of anytype. Modern construction methods enable alignmentsclose to the ideal line, they literally provide the break-through for routes, which would once have been incon-ceivable – for example for reasons of geology, hydrology,diameter, depth or site situation. Many of these projectswould not have been possible only with conventionalmethods.

And the trend to undertake ever more difficult pro-jects continues without pause all over the world. Think oflarge diameters or complex, variable geology. Beneath thecity of Kuala Lumpur, straight through karstified lime-stone with scarcely predictable cavities, one of the Vari-able Density TBMs successfully completed the first sec-tion a few days ago. With EPB and slurry-supportedmodes, the Variable Density TBM represents the mostcomplex form of convertible machine. They combine theadvantages of both processes in one machine. Withoutmechanical modification, it is possible to change betweenfour operating modes in the tunnel. This enables extreme-ly flexible reaction to geological and hydrogeologicalchanges along the alignment. One more step towards uni-versal tunnelling technology for all types of soft ground,unthinkable a few years ago.

Is the innovation potential just the result of enquiriesfrom sites or do innovations also result from contactswith universities, colleges and/or other research institu-tions?

Communication between all experts in the industry, in-cluding clients, consultants and contractors, machine sup-pliers and naturally research institutions, is extremely im-portant. Innovation does not originate in an ivory tower.We do of course have to watch out that we don’t dissipateour energies and invest too much effort in work that then– for whatever reason – is not implemented. It is importantto set clearly focussed and practically achievable aims andcarry them through.

Do you offer future engineers the possibility of collaborat-ing in research and development work as placements orpart of bachelor/masters courses?

This is an important matter for us. Our aim is to gain wellqualified, reliable and enthusiastic young engineers – witha pragmatic passion for high-tech. Purely theoreticalknowledge without practical experience does not help us.It is decisive that experts in various fields work togetherand find ever better solutions collaboratively. We therefore

Sehen Sie im maschinellen Tunnelbau noch entsprechen-des Innovationspotenzial für die Zukunft?

Ja, natürlich. Allgemein ist der Entwicklungsstand auf ei-nem hohen Niveau. Aber es gibt immer etwas zu optimie-ren. Die Entwicklung der Vergangenheit wird sich auch inZukunft fortsetzen. Tunnel haben bei vielen Infrastruktur-projekten eine Schlüsselfunktion, sie unterqueren natür -liche oder künstliche Barrieren jeder Art. Moderne Bau-techniken ermöglichen Streckenverläufe eng an der Ideal-linie orientiert, sie bringen im Wortsinn den Durchbruchfür Trassen, die früher undenkbar waren – beispielsweisein Bezug auf die Geologie, die Hydrologie, den Durchmes-ser, die Tiefenlage oder die Baustellensituation. Viele die-ser Projekte wären mit rein konventionellen Methodennicht machbar gewesen.

Und der Trend, immer schwierigere Projekte anzuge-hen ist weltweit ungebrochen. Denken Sie an großeDurchmesser oder komplexe, wechselhafte Geologien. Un-ter der Stadt Kuala Lumpur, mitten durch verkarstetenKalkstein mit schwer vorhersehbaren Hohlräumen, gelangeiner der Variable Density TBMs vor wenigen Tagen dererfolgreiche Abschluss der ersten Teilstrecke. Mit EPB-und flüssigkeitsgestütztem Modus stellt die Variable Den-sity TBM die komplexeste Form der umbaubaren Maschi-nen dar. Sie kombinieren die Vorteile beider Verfahren ineiner Maschine. Ohne mechanische Modifikationen kanndirekt im Tunnel zwischen vier verschiedenen Vortriebs-modi umgeschaltet werden. Dadurch kann im Verlauf derTrasse extrem flexibel auf geologische und hydrogeologi-sche Veränderungen reagiert werden. Ein weiterer Schrittzur universellen Vortriebstechnik für Lockergestein allerArt, vor Jahren noch undenkbar.

Resultiert das Innovationspotenzial ausschließlich ausAnfragen der Baustellen oder ergeben sich Innovationenauch aus Kontakten mit Universitäten, Fachhochschulenund/oder externen Forschungseinrichtungen?

Der Austausch zwischen allen Experten der Branche, so-wohl Bauherren, Planern als auch bauausführenden Un-ternehmen, Maschinenlieferanten und natürlich For-schungseinrichtungen ist äußerst wichtig. Innovation ent-steht nicht im Elfenbeinturm. Man muss selbstverständ-lich aufpassen, dass man sich nicht verzettelt und zu vielEnergie in Themen steckt, die dann – aus welchen Grün-den auch immer – nicht realisiert werden. Wichtig ist es,klar fokussiert, praktisch erreichbare Ziele zu setzen undzu erreichen.

Bieten Sie angehenden Ingenieuren Möglichkeiten, imRahmen von Praktika oder Bachelor- und Master arbeitenan Forschungs- und Entwicklungsthemen mitzuarbeiten?

Das ist uns ein echtes Anliegen. Unser Ziel ist es, gut qua-lifizierte, zuverlässige und begeisterte junge Ingenieureund Ingenieurinnen zu gewinnen – mit pragmatischer Lei-denschaft für High-Tech. Rein theoretisches Wissen ohnejegliche Praxiserfahrung bringt uns nicht voran. Es ist ent-scheidend, dass Experten verschiedener Fachgebiete zu-sammenarbeiten und gemeinsam immer bessere Lösungenfinden. Daher halten wir es auch für richtig, dass die ITA

Interview


think it right that the ITA CET1 is attempting to involvethe industry more in education and training, including atuniversities. Some good examples of this are Lausanne,Turin, Stuttgart and Lyon.

Another important component is placements, whichawake the interest of young engineers and offer a realisticview of our business. Clearly some prefer to work in sup-posedly more attractive, well-known boom industries likeautomobile, mobile radio or energy. But with us they canbear plenty of responsibility, for example in project man-agement. The engineers work on real and interesting in-frastructure projects, which make a contribution to im-proving the quality of life of millions of people.

Could you state a figure, what percentage of turnover Her-renknecht AG invests in research and development?

Percentage figures are no reliable indicator of progress inour business. Our Traffic Tunnelling and Utility Tun-nelling departments each have their own research and de-velopment teams and budgets, and on top of this comesproject-related R&D. For us, it is clear that out marketleadership is based on our technical excellence and ourvery widely based project expertise covering all infrastruc-ture applications. With intensive application-orientedR&D work, we are also laying the foundation for futuresuccess.

As Herrenknecht AG you are also involved in the largeEU research project called DRAGON, which has the intention of massively reducing the waste from under-ground works. What is your aim in this project?

Herrenknecht AG is one of the industry partners on theproject. The intention is to develop solutions integratedinto the machine for the analysis of spoil material fromtunnels. Existing technologies should also be improvedfurther in order to improve effectiveness and thus alsoprofitability.

Is it possible in the lifetime of three years of such a projectto develop a prototype, which then has a chance of beingready for production?

In our view it is important and promising that all parties in the chain of processing spoil are collaborating inDRAGON. In this way, targeted solutions can be found.The first prototypes can then be tested on real tunnel projects. Final readiness for production is then a furtherstep.

Can we assume that the technology, which is being developed here together with partners from Austria (Mon-tanuniversität Leoben, chair of Subsurface Engineeringand the contractor Porr), France (Jacques Burdin Inge-nieur Conseil), Switzerland (B+G Betontechnologie + Ma-terialbewirtschaftung AG), England (PE InternationalConsultants) and Germany (Indu Tech), will lead to fur-ther progress in mechanised tunnelling?

CET1 versucht, die Industrie mehr in die Lehre und dasTraining einzubinden, auch an Universitäten. Gute Bei-spiele hierfür sind Lausanne, Turin, Stuttgart und Lyon. Ein weiterer wichtiger Baustein sind Praktika, sie förderndas Interesse der jungen Ingenieure und geben einen rea-listischen Einblick in unser Geschäft. Klar, manche wollenzwar lieber in vermeintlich attraktiveren, weil bekannterenBoombranchen wie Automobil-, Mobilfunk- oder Energie-industrie arbeiten. Bei uns erhalten sie, beispielsweise imProjektmanagement, viel Verantwortung. Die Ingenieurearbeiten an ganz realen und interessanten Infrastruktur-projekten mit, die einen Beitrag zur Verbesserung der Le-bensqualität von Milliarden Menschen leisten.

Können Sie eine Angabe dazu machen, welchen Prozent-satz des Umsatzes die Herrenknecht AG in Forschungund Entwicklung investiert?

Prozentzahlen sind in unserem Geschäft keine aussage-kräftigen Indikatoren für Fortschritt. Unsere Geschäftsbe-reiche Traffic Tunnelling und Utility Tunnelling verfügenüber jeweils eigene Forschung- und Entwicklungsteamssowie Etats. Hinzu kommt die projektbezogene F+E-Ar-beit. Für uns ist klar, dass unser Marktführerschaft auf un-serer technischen Exzellenz fußt sowie auf unserer sehrbreit aufgestellten Projektexpertise über alle Infrastruktur-anwendungen hinweg. Mit intensiver anwendungsorien-tierter F+E-Arbeit legen wir auch einen Grundstein für denErfolg von morgen.

Sie sind als Herrenknecht AG auch an einem großen EU-Forschungsprojekt namens DRAGON beteiligt, mit wel-chem beabsichtigt wird, die Abfallströme aus dem Unter-tagebau massiv zu reduzieren. Was ist ihr Ziel in diesemProjekt?

Die Herrenknecht AG ist einer der Industriepartner in die-sem Projekt. Ziel ist es, maschinenintegrierte Lösungenfür die Analyse des Ausbruchsmaterials von Tunneln zuentwickeln. Zudem sollen existierende Techniken weiterverbessert werden, um die Effektivität und damit die Wirt-schaftlichkeit zu optimieren.

Kann man bei einer Laufzeit eines solchen Projektes indrei Jahren einen Prototypen entwickeln, der in weitererFolge Chance auf Serienreife bekommen wird?

Wichtig und erfolgsversprechend ist aus unserer Sicht,dass bei DRAGON alle Beteiligte der Abraum-Prozessket-te zusammenarbeiten. So können gezielt Lösungsansätzegefunden werden. Mit ersten Prototypen können diesedann auf realen Tunnelbauprojekten getestet werden. Dieendgültige Serienreife ist ein weiterer Schritt.

Können wir davon ausgehen, dass mit der Technologie,die hier gemeinsam mit Partnern aus Österreich (Montan-universität Leoben, Lehrstuhl für Subsurface Engineering,Baukonzern Porr), Frankreich (Jacques Burdin Ingenieur

1 Foundation for Education and Training on Tunnelling and Underground Space Use

1 Foundation for Education and Training on Tunnelling and Underground Space Use

Interview


Numerous projects have demonstrated that the use of partof the excavated material is possible, e.g. for the produc-tion of elements of the tunnel structure. Apart from this,the reuse of excavated material has seldom been consid-ered, i.e. outside the actual project. This offers scope foroptimisation in mechanised tunnelling. In our work, weare essentially involved with three points: the samplingand analysis of tunnel spoil on the backup during the tun-nel advance; material sorting, processing and recycling;and thirdly with the design and production of a first pro-totype.

The interview was performed by Prof. Robert Galler, Montanuniversität Leoben

Conseil), Schweiz (B + G Betontechnologie + Materialbe-wirtschaftung AG), England (PE International Consul-tants) und Deutschland (Indu Tech) entwickelt wird, einFortschritt im maschinellen Tunnelbau gelingen wird?

Etliche Projekte haben gezeigt, dass die Verwendung vonTeilen des Ausbruchmaterials z. B. für die Herstellung vonKomponenten des Tunnelausbaus, möglich ist. Darüberhinaus, d. h. außerhalb des eigenen Projekts, ist die Ver-wendung des Ausbruchmaterials bisher nur selten betrach-tet worden. Hier kann der maschinelle Tunnelbau opti-miert werden. In unserer Arbeit beschäftigen wir uns imWesentlichen mit drei Punkten: der Probennahme undAnalyse von Abraum auf dem Nachläufer während desMaschinenvortriebs; der Material-Sortierung, -Aufberei-tung und -Wiederverwertung und drittens mit dem Designund der Herstellung eines erste Prototypen.

Das Interview führte Prof. Robert Galler, Montanuniversität Leoben

MINING 4 EVERYONE

VisitVANCOUVER2014.CIM.ORGEarly-bird registration rates: January 1 to April 1 2014

TECHNICAL PROGRAM TRACKS

• GLOBAL DIMENSIONS OF MINING

• INNOVATIONS

• HARNESSING OUR DIVERSE WORLD

• MANAGING OPERATIONS – MINE TO MILL

• CONSTRUCTION TO PRODUCTION

• ETHICS IN MINING SYMPOSIUM

Join the Mining Community Conversation!

Interview


Topics

DOI: 10.1002/geot.201310027

Classic tunnelling shields can reach their technical, but also theireconomic limits, when they have to drive through highly variedgeologies along the tunnel route. A tunnel route may passthrough extended sections of stable rock faces which alternatewith soft, water-bearing loose soils. Such tunnelling routes areamong the most demanding challenges in tunnel constructionand they have to be mastered more and more often, because im-portant infrastructures nowadays are being built in such forma-tions. Herrenknecht has developed so-called Multi-mode tunnelboring machines especially for ground conditions of this kind.These are hybrid tunnel boring machines which offer optimumsafety and flexibility when choosing the support and excavationmethod. They allow for an optimum tunnelling strategy that isadaptable to the conditions along the tunnel alignment. And theyalso have a positive influence on the desired efficiency. Multi-mode machines have different concepts in terms of how rapidlyor how easily they can be adapted. The following chapters de-scribe the functionalities of the Multi-mode TBM and the corre-sponding reference projects. In addition, this paper deals withthe innovative concept of the Herrenknecht Variable DensityTBM, a first universal tunnel boring machine for mixed groundconditions.

1 General considerations

In mechanized tunnelling, we basically distinguish be-tween three different shielded machine types (Fig. 1).Each of these well-established methods offers advantagesin its special field of application:– Open single shield for stable and usually non- or low-wa-

ter-bearing ground conditions with excavation under at-mospheric pressure and dry muck removal from the ex-cavation chamber with belt conveyor.

– Closed earth pressure balance shield (EPB Shield) forfine-grained and usually unstable and water-bearing soilswith excavation under controlled face support pressureand thick-matter-type muck removal from the excava-tion chamber with screw conveyor.

– Closed slurry machine for coarse-grained, unstable andusually water-bearing soils with excavation under con-trolled face support pressure and muck removal fromthe excavation chamber with hydraulic slurry circuit andslurry treatment plant.

Technological development have also greatly spread therespective geological area of implementation over the past

Klassische Vortriebsschilde können bei geologisch varianten-reich aufgebauten Tunneltrassen an technische, aber auch wirt-schaftliche Grenzen stoßen. So kann eine Tunneltrasse längerePassagen standfestes Gebirge enthalten, das in weiche, wasser-führende Lockerböden wechselt sowie umgekehrt. DerartigeStreckenverläufe gehören zu den anspruchsvollsten Anforderun-gen im Tunnelbau. Sie stellen immer öfter eine Herausforderungdar, da wichtige Infrastrukturen in solchen Formationen gebautwerden. Herrenknecht hat speziell für solche Baugründe undProjekthintergründe sogenannte Multi-Mode-Tunnelbohrmaschi-nen entwickelt. Es handelt sich hier um hybrid aufgebaute Vor-triebsmaschinen, die höchstmögliche Sicherheit und Flexibilitätbei der Wahl des Stütz- und Abbauverfahrens bieten, also eine inHinsicht auf den Streckenverlauf anpassungsfähige und mög-lichst optimale Vortriebsstrategie ermöglichen. Dies hat auch po-sitive Effekte auf die gebotene Wirtschaftlichkeit. Multi-Mode-Maschinen sind hinsichtlich der Anpassungsschnelligkeit unddes Anpassungsaufwands unterschiedlich angelegt. Die folgen-den Kapitel beschreiben die Funktionsweisen der Multi-Mode-TBM und entsprechende Referenzprojekte. Zudem geht der Bei-trag auf das neuartige Konzept der Herrenknecht „Variable Den-sity TBM“ ein, einer ersten universellen Vortriebsmaschine fürLockergestein.

1 Grundlagen

Im maschinellen Tunnelvortrieb wird grundsätzlich zwi-schen drei geschildeten Maschinentypen unterschieden(Bild 1). Jedes dieser erprobten Verfahren bietet in seinemspeziellen Anwendungsgebiet Vorteile.– Offene Einfachschilde für standfesten und in der Regel

nicht oder gering wasserführenden Baugrund: Der Ab-bau erfolgt unter atmosphärischen Bedingungen mit tro-ckenem Materialaustrag aus der Abbaukammer mittelsFörderband.

– Geschlossene Erddruckschilde (EPB-Schilde) für fein-körnigen und in der Regel nicht standfesten wasserfüh-renden Baugrund: Der Abbau erfolgt unter gesteuertemStützdruck mit dickstoffartigem Materialaustrag aus derAbbaukammer mittels Förderschnecke.

– Geschlossene Flüssigkeitsschilde für grobkörnigeren,nicht standfesten und in der Regel wasserführendenBaugrund: Der Abbau erfolgt unter gesteuertem Stütz-druck mit Materialaustrag aus der Abbaukammer mittelseines hydraulischen Förderkreises mit Separations -anlage.

Multi-mode tunnel boring machines

Multi-Mode Tunnelvortriebsmaschinen

Werner Burger


W. Burger · Multi-mode tunnel boring machines

years. The aim is to achieve optimum tunnelling perfor-mances and safety for the given geology while increasingproject efficiency.

Alongside the enhancement of the respective field ofapplication of the tunnelling modes, a modular machinetechnology has been developed, which makes it possibleto change the operation mode inside the tunnel. The basicconcept of convertible Multi-mode machines was alreadydesigned in the early 1980s and was the starting point thatled to developing the Mixshield.

The basic concept of the Multi-mode TBM allows themachine to change between slurry support, earth pressuresupport and open mode by modifying support control sys-tem and muck removal. On this basis, two design variantsare basically possible:– Multi-mode TBM with a modular basic structure: chang-

ing the tunnelling method is achieved by extensive mod-ifications or by exchanging individual components.

– Multi-Mode TBM with components all integrated intothe machine allowing for several tunnelling methods:the tunnelling mode can be changed with less work andtime but requires a considerably more complex machineconcept.

2 Changing between open single shield and closed earthpressure balance shield

Earth pressure balance shields with screw conveyor in theinvert section can be driven in both; the conventionalclosed EPB or the compressed air mode (Fig. 2) and theopen mode (Fig. 3). In both cases, the screw conveyor re-moves the muck from the excavation chamber, and inclosed operation it is used additionally for pressure reduc-tion. In particular, in abrasive soils, you have the disad-vantage that a partial filling must remain in the excavation

Technologischer Fortschritt hat das jeweilige geologischeEinsatzspektrum in den letzten Jahren enorm erweitert.Das Ziel besteht darin, für die vorherrschende Geologiedas Optimum an Vortriebsleistung und -sicherheit zu ge-winnen und zudem die Wirtschaftlichkeit des Projekts zuoptimieren.

Parallel zur Erweiterung des jeweiligen Einsatzspek-trums der Vortriebsmodi entwickelte sich eine modulareMaschinentechnik, die den Wechsel der Betriebsart imTunnel ermöglicht. Das Grundkonzept der umbaubarenMulti-Mode-Maschinen wurde bereits in den frühen1980er-Jahren entworfen und ist Ausgangspunkt für dieEntwicklung des Mixschilds.

Das Grundkonzept der Multi-Mode-TBM erlaubtdurch Modifikationen der Stützdrucksteuerung und derAbraumförderung den Wechsel zwischen Flüssigkeitsstüt-zung, Erddruckstützung und offenem Modus. Auf dieserGrundlage sind grundsätzlich zwei konstruktive Umset-zungen möglich:– Multi-Mode-TBM mit modularem Grundaufbau: Der

Wechsel des Vortriebsverfahrens wird durch umfangrei-chere Modifikationen oder Austausch einzelner Bau-gruppen erreicht.

– Multi-Mode-TBM mit parallel integrierten Komponen-ten für mehrere Verfahrensarten: Der Wechsel des Vor-triebsmodus ist mit geringerem Arbeits- und Zeitauf-wand möglich, setzt aber ein erheblich komplexeres Ma-schinenkonzept voraus.

2 Wechsel zwischen offenem Einfachschild und geschlossenem Erddruckschild

Erddruckschilde mit Förderschnecke im Sohlbereich kön-nen neben dem herkömmlichen geschlossenen EPB- oderDruckluft-Modus (Bild 2) auch im offenen Modus (Bild 3)

Fig. 1. The three basic machine types(Open shield, Slurry shield, Earth pres-sure balance shield)Bild 1. Die drei grundsätzlichenMaschinentypen



chamber in the open mode to ensure that the screw con-veyor can be fed. On the one hand , a massive screw con-veyor for removing dry muck does not have the same effi-ciency as alternative solutions such as belt conveyors, forexample. On the other hand, the screw conveyor has theconsiderable advantage that its discharge gate can beclosed rapidly at any time, thus isolating the excavationchamber quickly and reliably from the aft tunnel in theevent of a sudden water inrush or instabilities at the face,for example.

In order to avoid the above-mentioned disadvantages,a retractable muck hopper (muck ring) with belt conveyorcan be installed in the center. Here, two significant chal-lenges must be met.– Rotary coupling in the center is mandatory for EPB op-

erations to allow the conditioning additives to be fed in-to the rotating cutting wheel. This requires compromis-es or significant conversion efforts when converting tobelt conveyor removal.

– Muck guide plates or channels at the rear of the cuttingwheel are needed for central belt conveyor removal. Asthey impact the closed earth pressure operation theycannot remain installed permanently. Corresponding in-stallation and dismantling work require more efforts.

For the construction of the Katzenberg Rail Tunnel inGermany, two EPB Shields (∅11.12 m) were used work-ing, both in the open and the closed mode [1]. The groundconditions along the 8.9 km twin tube tunnel route wereexpected to be predominately soft rock of medium to low

gefahren werden. In beiden Fällen übernimmt die Förder-schnecke den Materialaustrag aus der Abbaukammer undim geschlossenen Betrieb zusätzlich die Aufgabe desDruckabbaus. Insbesondere bei abrasiven Böden wirktsich die Notwendigkeit nachteilig aus, im offenen Modusin der Abbaukammer eine Teilfüllung zur Speisung derFörderschnecke sicherstellen zu müssen. Ebenso erreichtein massiver Schneckenförderer zur Abförderung von tro-ckenem Haufwerk nicht die Effektivität alternativer Lö-sungen wie Förderbänder. Andererseits besteht ein wesent-licher Vorteil des Schneckenförderers darin, dass der Abwurfschieber der Förderschnecke jederzeit schnell ge-schlossen werden kann. Die Abbaukammer kann bei-spielsweise im Fall eines plötzlichen Wassereinbruchsoder einer Ortsbrustinstabilität sicher und zuverlässig vomhinteren Tunnelbereich isoliert werden.

Um die oben beschriebenen Nachteile zu vermeiden,kann ein rückziehbarer Förderbandtrichter (Muckring)mit Förderband im Zentrum installiert werden. Hierbeisind zwei wesentliche Herausforderungen zu beachten.– Der Erddruckbetrieb setzt eine Drehdurchführung im

Zentrum zwingend voraus, um die Konditionierungsme-dien in das sich drehende Schneidrad einleiten zu kön-nen. Dies bedingt Kompromisse oder verursacht be-trächtlichen Umbauaufwand bei der Umstellung auf ei-nen Förderbandaustrag.

– Für den zentralen Förderbandaustrag werden Material-führungskanäle an der Schneidradrückseite benötigt.Sie beeinträchtigen den geschlossenen Erddruckbetriebund können deshalb nicht permanent installiert bleiben.

Fig. 2. Earth pressure balance machine in closed mode (left) and in compressed air mode (right)Bild 2. Erddruckmaschine in geschlossenem Modus (links) und im Druckluftmodus (rechts)

Fig. 3. Earth pressure balance ma-chine in open mode with partial filling remaining in the chamberBild 3. Erddruckmaschine in offenemModus mit teilgefüllter Abbaukammer



abrasiveness. The tunnel portal sections with low overbur-dens in soft ground as well as several possible fault zonesalong the alignment had to be driven in the closed mode.Due to the moderate abrasiveness expected and uncer-tainty concerning the number of fault zones, the machineconcept provided for screw conveyor muck removal bothin open and closed mode.

The machine concept developed and used proved tobe an efficient solution for the Katzenberg Tunnel project.The two machines were operated both in the open andclosed mode without requiring major standstills and/or con-version times when changing between the operation modes.The increased secondary wear which was expected at thecutterhead structure was addressed by an appropriate wearprotection, and reconditioning of the cutting wheel wasplanned half way along the route while passing through afuture ventilation shaft location. Almost 22 months later,both EPB Shields reached the target portal (Fig. 4).

Mechanized tunnelling of the Tunnel de Saverne railtunnel west of Strassbourg in France [2] faced a complete-ly different situation. The two 3.8km long parallel tunneltubes run through soft to medium-hard, highly abrasivesandstone. At least, one of the two portal zones had to beexcavated in the closed mode with positive face support.In addition, a fault zone was expected half way, which alsorequired the closed operation mode.

The machine concept for the EPB Shield (∅10.01 m)integrated a retractable central muck hopper and a beltconveyor for open mode and a bottom-arranged telescopicscrew conveyor for closed mode operation (Fig. 5). Bothmuck removal systems were permanently installed andthese transported the excavated material directly to agantry belt conveyor behind the ring erection area.

To change from closed to open operation mode, theconditioner supply pipes in the cutterhead center had tobe dismantled. This was the only way for the muck hopperwith the belt conveyor to be shifted to its front work posi-tion. At the rear of the cutterhead, guide plates had to beinstalled to transport muck from the periphery buckets tothe central muck hopper. The special design of thesemuck guide plates allowed for the bottom screw conveyorto remain partly operational even in a retracted position.

During excavation of the first tunnel tube, the opera-tion mode was changed from closed to open mode afterpassing a soft ground section at the beginning of the drive.Thanks to the project-specific machine concept and high-ly efficient jobsite logistics, the system conversion could be

Ein- und Ausbau verursachen entsprechend höherenAufwand.

Für den Katzenbergtunnel (Eisenbahn, Deutschland) wa-ren zwei EPB-Schilde (∅11,12 m) sowohl im offenen alsauch im geschlossenen Modus im Einsatz [1]. Der Bau-grund entlang der 8,9 km langen Doppelröhren-Trasse warim Wesentlichen als weiches Felsgestein moderater Abrasi-vität prognostiziert. Die Portalzonen mit geringer Über -deckung im Lockergestein sowie einzelne mögliche Stör-zonen entlang der Trasse waren im geschlossenen Moduszu durchfahren. Aufgrund des erwarteten beherrschbarenVerschleißverhaltens und der Unsicherheit bezüglich derHäufigkeit der Störzonen wurde ein Maschinenkonzeptvorgesehen, das den Förderschneckenaustrag für die ge-schlossene als auch für die offene Betriebsart vorsah.

Das entwickelte und eingesetzte Maschinenkonzepterwies sich als leistungsfähige Lösung für das Projekt Kat-zenbergtunnel. Beide Maschinen wurden sowohl im offe-nen als auch im geschlossenen Modus betrieben, ohnedass längere Stillstände bzw. Umbauzeiten beim Betriebs-artenwechsel notwendig wurden. Einem erwarteten höhe-ren Sekundärverschleiß an der Schneidradstruktur wurdeRechnung getragen, indem ein verstärkter Verschleiß-schutz aufgetragen wurde sowie eine Schneidradrevisionauf etwa halber Strecke beim Durchfahren eines späterenLüftungsbauwerks eingeplant wurde. Nach nur rund 22

Fig. 4. Two EBP shields after breakthrough at the Katzen-berg Tunnel Bild 4. Zwei EPB-Schilde nach dem Durchstich amKatzenbergtunnel

Fig. 5. Multi-mode machine for the Tunnel de SaverneBild 5. Multi-Mode-Maschine für den Tunnel de Saverne



successfully carried out in less than one week – once whendriving the first tube and once for the parallel second tube.Breakthrough of the first tunnel tube took place in June2012 and breakthrough of the second tube was in Febru-ary 2013 (Fig. 6).

The different mucking systems for open and closedmode proved to be an efficient solution concept for thehighly abrasive ground conditions. The bottom-arrangedscrew conveyor turned out to be an advantage, because itwas still partly operational in the open mode. This al-lowed for both complete invert cleaning in the excavationchamber and driving in the open mode through short sec-tions with limited face stability.

3 Changing between closed slurry shield and open single shield

Multi-mode machines with open and slurry-supportedmode have been used successfully in many projects. Thismachine concept is especially suitable for tunnel routeswith longer sections of loose rock below the groundwaterlevel and with dry hard rock sections. The varied forms ofmuck removal constitute the greatest challenge whenchanging the tunnelling mode. A slurry circuit is installedin the slurry-supported shield; in the case of a stable faceand compressed air – or even atmospheric flushing opera-tion with a partially filled excavation chamber, the muck-ing system would still also be based on a hydraulic slurrycircuit. Powerful dry muck removal in the open mode isonly possible with a belt conveyor. Therefore, both con-veying systems must be installed on the TBM, the gantrysystem and in the tunnel if this combination is used.

Monaten erreichten beide EPB-Schilde das Zielportal(Bild 4).

Eine gänzlich unterschiedliche Situation stellte sichbeim maschinellen Vortrieb des Tunnel de Saverne (Ei-senbahn, Frankreich) westlich von Straßburg dar [2]. Diebeiden 3,8 km langen parallelen Tunnelröhren verlaufendurch weichen bis mittelharten Sandstein hoher Abrasivi-tät. Zumindest eine der beiden Portalzonen musste in ge-schlossenem Modus mit aktiver Ortsbruststützung aufge-fahren werden. Des Weiteren war auf etwa halber Streckeeine Lockergesteinszone prognostiziert, die ebenfalls einegeschlossene Betriebsweise vorsah.

Das Maschinenkonzept für den EPB-Schild (∅10,01 m)integrierte einen rückziehbaren zentralen Förderband -trichter und ein Förderband für den offenen Betrieb sowieeine teleskopierbare Förderschnecke im Sohlbereich fürden geschlossenen Betrieb (Bild 5). Beide fest installiertenMaterialaustragssysteme übergaben das Abbaumaterial di-rekt hinter dem Ringbaubereich auf ein gemeinsamesNachläuferband.

Für den Wechsel von geschlossener zu offener Be-triebsart mussten die Zufuhrleitungen für Konditionie-rungsmittel im Zentrum demontiert werden. Nur so konn-te der Förderbandtrichter mit dem Austragsband in seinevordere Arbeitsposition verschoben werden. An derSchneidradrückseite wurden Materialleitkanäle für denMaterialtransport von den außen liegenden Räumern zumzentralen Aufgabetrichter installiert. Die speziell ange-passte Ausführung dieser Materialleitkanäle erlaubte es,die Förderschnecke im Sohlbereich auch in zurückgezo-gener Position eingeschränkt arbeitsfähig zu halten.

Beim Auffahren der ersten Tunnelröhre wurde nachder Durchörterung der anfänglichen Lockergesteinsstre-cke die Betriebsart vom geschlossenen zum offenen Mo-dus gewechselt. Mit dem projektspezifischen Maschinen-konzept sowie einer hochleistungsfähigen Baustellenlogis-tik wurde die Systemumstellung in weniger als einer Woche erfolgreich durchgeführt – jeweils einmal beimVortrieb der ersten Röhre und einmal in der parallelenzweiten Röhre. Der Durchstich der ersten Tunnelröhre er-folgte im Juni 2012 und im Februar 2013 der Durchstichder zweiten Röhre (Bild 6).

Die unterschiedlichen Materialaustragsysteme fürden offenen und den geschlossenen Modus bewährtensich in dem hoch abrasiven Baugrund als leistungsfähigesKonzept. Auch die im offenen Modus immer noch einge-schränkt einsetzbare Förderschnecke im Sohlbereich er-wies sich als vorteilhaft. Sie diente sowohl der vollständi-gen Sohlreinigung in der Abbaukammer als auch demDurchfahren kurzer Zonen mit gebrächer Ortsbrust im of-fenen Modus.

3 Wechsel zwischen geschlossenem Flüssigkeitsschild und offenem Einfachschild

Multi-Mode-Maschinen mit offenem und flüssigkeitsge-stütztem Modus wurden bereits vielfach erfolgreich inProjekten eingesetzt. Vor allem für Tunneltrassen mit län-geren Anteilen von Lockergesteinsstrecken unterhalb desGrundwasserspiegels als auch trockenen Festgesteinsstre-cken ist dieses Maschinenkonzept passend. Die größteHerausforderung beim Wechsel des Vortriebsmodus be-

Fig. 6. Breakthrough of the second tube at Tunnel de SaverneBild 6. Durchstich der zweiten Röhre am Tunnel de Saverne



The installation of a belt conveyor in the centre with aretractable muck hopper as a second, dry muck transportsystem is possible without majorly compromising the ex-cavation system. The same applies to a cutting wheel evenwith additional guide plates for muck transfer oriented to-wards the centre in the open mode. As there are no majorimpairments for the closed slurry-supported operation,these can be installed on a permanent basis. On the otherhand, a stone crusher in front of the suction grid for oper-ation as a slurry shield does not have an impact whenchanging to the open mode (Fig. 7).

An outstanding and significant technical and eco-nomic advantage is obtained when changing the opera-tion modes as part of an integrated concept. Dependingon the efforts required to provide two material transportsystems on the machine, operating modes can be changedin the tunnel and above ground in a short period of time.In the open mode, the excavation chamber can be safelyisolated towards the aft tunnel section within about two tofour hours, by retracting the muck hopper and the beltconveyor. According to the operational availability of theslurry circuit, the compressed air supply and the above-ground slurry treatment plant, tunnelling can be resumedin the closed mode as slurry shield after a few shifts.

In 1989, this concept experienced its first successfulapplication at the Grauholz Tunnel in Switzerland [3] andsubsequently in the Thalwil and Önzberg projects, both inSwitzerland as well. Further successful reference projectsare the Finne Tunnel in Germany [4] and the WeinbergTunnel in Switzerland (Zurich). Another Multi-mode TBMfor open single-shield operation and closed slurry-support-ed operation was used for the Hallandsås project (Sweden,railway). Due to the expected high slope-water pressure,the machine for the Hallandsås project was designed for amaximum operating pressure of 13 bar in the closed mode[5].

Characteristic for the Lake Mead Intake N° 3 watertunnel project (Las Vegas, USA) is that fault zones with ex-tremely high water pressures were expected on the tunnelroute. The machine concept of the currently used Multi-mode TBM has two special features for the open modeand the closed slurry-supported mode [6]. On the onehand, the machine is designed for support pressures of upto 17 bar. On the other hand, the machine is fitted with a

steht in der unterschiedlichen Förderung des Abraums.Beim flüssigkeitsgestützten Schild ist ein Förderkreislaufinstalliert; auch im Fall einer standfesten Ortsbrust und ei-nem Druckluft- oder gar atmosphärischem Spülbetriebmit teilgefüllter Abbaukammer würde der Materialaustragnoch immer auf einem hydraulischen Förderkreis beru-hen. Ein leistungsfähiger trockener Materialaustrag im of-fenen Modus ist nur mit einem Förderband möglich. Fürdie Realisierung dieser Kombination müssen daher beideFördersysteme auf der TBM, dem Nachläufer sowie imTunnel installiert werden.

Der Einbau eines zentral angeordneten Förderbandsmit rückziehbarem Förderbandtrichter als zweites, trocke-nes Materialaustragssystem ist ohne wesentliche Kompro-misse für das Abbausystem realisierbar. Gleiches gilt fürdas Schneidrad selbst mit zusätzlichen, zum Zentrum hingerichteten Materialleitkanälen für den offenen Betrieb.Sie stellen keine wesentliche Beeinträchtigung für den ge-schlossenen, flüssigkeitsgestützten Betrieb dar und kön-nen daher fest eingebaut bleiben. Ein Steinbrecher vordem Saugstutzen für den Betrieb als Flüssigkeitsschild be-einträchtigt wiederum die Wechsel auf den offenen Modusnicht (Bild 7).

Ein herausragender und bedeutender technischer undwirtschaftlicher Vorteil ergibt sich, wenn der Betriebs -artenwechsel als integrales Konzept ausgeführt werdenkann. Der Wechsel der Vortriebsmodi kann dann abhän-gig vom betriebenen Aufwand für das Vorhalten zweierMaterialtransportsysteme auf der Maschine, im Tunnelund über Tage innerhalb kurzer Zeit durchgeführt werden.Im offenen Modus kann die Abbaukammer innerhalb vonrund zwei bis vier Stunden sicher zum hinteren Tunnel -bereich hin abgeschlossen werden, indem der Förder-bandtrichter und das Förderband zurückgezogen werden.Je nach betrieblicher Verfügbarkeit des Förderkreislaufs,der Druckluftversorgung und der übertägigen Separations-anlage kann der Vortrieb im geschlossenen Modus alsFlüssigkeitsschild nach wenigen Schichten wieder aufge-nommen werden.

1989 wurde das System erstmals beim Grauholztun-nel in der Schweiz erfolgreich eingesetzt [3] und anschlie-ßend bei den Projekten Thalwil und Önzberg, beide eben-falls in der Schweiz. Weitere erfolgreiche Projektreferen-zen sind der Finnetunnel in Deutschland [4] sowie der

Fig. 7. Integrated machine concept for change between slurry shield (left) and open single shield (right)Bild 7. Integrales Maschinenkonzept für den Wechsel von Flüssigkeitsschild (links) zu offenem Einfachschild (rechts)



retractable screw conveyor in the centre instead of a beltconveyor for the muck transport in the open mode (Fig. 8).

The screw conveyor ensures that the tunnel can besafely isolated within seconds by only closing the dis-charge gate. By using this machine concept, the mandato-ry requirement in this project to isolate the system withina few seconds can be fulfilled.

By November 2013, 50 % of the 4.8 km tunnel lengthwas excavated, around 800 m of, which was successfullydriven in the closed mode (slurry-supported) under a sup-port pressure of 13 to 14 bar.

4 Changing between closed slurry shield and earth pressure balance shield

Slurry and earth pressure balance machines are both op-erated with a filled excavation chamber under controlledface pressure. The two operation modes differ regardingthe properties of the chamber filling (viscosity, shearstrength or density) and regarding the type of face pres-sure control. The design of a Multi-mode TBM for earthpressure supported and slurry supported tunnelling mustnot consider basic differences in the excavation chamberor the cutting wheel.

The major difference to be considered in the Multi-mode machine concept relates to the muck transport fromthe excavation chamber and in the tunnel. Whereas a slur-ry machine uses a closed, pressurized slurry circuit withan above-ground slurry treatment plant, the EPB machineuses a screw conveyor for controlled muck extraction fromthe excavation chamber and an open tunnel transport sys-tem with muck cars or belt conveyors. Another major dif-ference between the machine types relates to the type offace pressure control. Face pressure control for an EPBmachine is mainly realized by controlling the operationalparameters of advance speed and muck extraction volumeand/or screw conveyor speed. In contrast, a remote pres-surized air bubble in the pressure chamber behind the sub-merged wall is used to control the face pressure in a slurrymachine (Fig. 9).

For machines with diameters of more than 8 m, bothmuck removal systems can be installed parallel to one an-other in the invert area of the excavation chamber with on-ly little effects on operation. If, however, ground condi-tions require the use of a stone crusher in front of the suc-tion grid in the slurry mode, the change in the mode of op-eration requires significant additional mechanical effort –connected with manual intervention and/or correspond-

Weinbergtunnel in der Schweiz (Zürich). Eine Multi-Mode-TBM für offenen Einfachschildvortrieb und ge-schlossenen flüssigkeitsgestützten Vortrieb befand sichauch im Einsatz beim Projekt Hallandsås (Schweden, Ei-senbahn). Aufgrund des prognostizierten hohen Bergwas-serdrucks wurde die Maschine für Hallandsås auf einenmaximalen Betriebsdruck von 13 bar im geschlossenenModus ausgelegt [5].

Das Wassertunnelprojekt Lake Mead Intake No 3(Las Vegas, USA) zeichnet sich dadurch aus, dass auf derTunneltrasse Störzonen mit extrem hohen Wasserdrückenvorhergesagt wurden. Entsprechend weist das Maschinen-konzept der derzeit eingesetzten Multi-Mode-TBM für of-fenen Betrieb und geschlossenen flüssigkeitsgestütztenBetrieb zwei Besonderheiten auf [6]. Zum einen ist sie aufStützdrücke bis 17 bar ausgelegt. Zum anderen ist sie an-stelle eines Förderbands für den Materialaustrag im offe-nen Betrieb – mit einer rückziehbaren zentralen Förder-schnecke – ausgerüstet (Bild 8).

Die Förderschnecke gewährleistet, dass alleine durchdas Schließen des Abwurfschiebers innerhalb weniger Au-genblicke die Abbaukammer sicher verschlossen werdenkann. Diese Maschinenkonzeption dient dazu, eine zwin-gende Forderung nach einer Systemverschließbarkeit in-nerhalb weniger Sekunden bei diesem komplexen Projektumzusetzen.

Bis November 2013 wurden 50 % der 4,8 km Tunnel-länge aufgefahren, wovon etwa 800 m im geschlossenenModus (flüssiggestützt) unter einem Stützdruck von 13 bis14 bar erfolgreich durchörtert wurden.

4 Wechsel zwischen geschlossenem Flüssigkeitsschild und Erddruckschild

Sowohl Flüssigkeitsschilde als auch Erddruckschilde wer-den unter einem gesteuerten Stützdruck mit gefüllter Ab-baukammer betrieben. Die beiden Betriebsmodi unter-scheiden sich hinsichtlich der Eigenschaften des Materialsin der Abbaukammer (Viskosität, Scherfestigkeit oderDichte) sowie hinsichtlich des Prinzips der Stützdruck-steuerung. Bei der Konzeption einer Multi-Mode-TBM fürerddruckgestützten und flüssigkeitsgestützten Vortriebmüssen bei der Ausgestaltung der Abbaukammer oder desSchneidrads keine grundlegenden Unterschiede berück-sichtigt werden.

Der wesentliche Unterschied, der in der Multi-Mode-Maschinenkonzeption umgesetzt werden muss, bestehtbeim Materialtransport aus der Abbaukammer und im

Fig. 8. Machine for Lake Mead Intake N° 3 Tunnel, open mode with center screw conveyor (left) and closed mode with active slurry system Bild 8. Maschine für den Lake Mead Intake Tunnel No 3, im offenen Modus mit zentraler Förderschnecke (links) und imgeschlossenen Modus mit aktivem Förderkreis



ing compressed air work. With machine diameters of lessthan 8 m in particular, these are only possible to a limitedextent due to space constraints.

Convertible machines with medium and smaller di-ameters have therefore been realized using a modular con-cept so far (Fig. 10) that allows individual components ormodules to be exchanged in an intermediate shaft alongthe alignment. No modular modification concept forchanging the operation mode in the tunnel has been real-ized so far. This would most likely require a significantamount of work under atmospheric pressure in the exca-vation chamber, which means considerably higher techni-cal and logistic efforts.

In order to justify such a complex machine design,which allows for a complete change from slurry to EPBoperation in the tunnel (Fig. 11), special project condi-tions must be given.

The Socatop project in Paris [7], for example, hadsuch conditions. With an overall length of 10 km, thealignment ran approx. 60 % through soils, which were op-timally suitable for earth pressure or compressed air oper-ation. 40 % of the route ran through soils, which were verysuitable for using a slurry supported machine. In addition,the machine and tunnelling concept considered that therespective formations occurred in longer and joint stretch-es (Fig. 12). In general, the successful completion of tun-

Tunnel. Das Konzept der Flüssigkeitsstützung sieht einengeschlossenen, druckbeaufschlagten hydraulischen För-derkreis mit übertägiger Separationsanlage vor. Bei einemErddruckschild ist ein Schneckenförderer für einen kon-trollierten Materialaustrag aus der Abbaukammer verant-wortlich und im Tunnel ein offenes Transportsystem mitSchutterzügen oder Förderbändern. Ein weiterer zentralerUnterschied zwischen den Maschinentypen betrifft dieArt der Stützdrucksteuerung. Bei einer Erddruckmaschineerfolgt die Stützdrucksteuerung vorwiegend über die Be-einflussung der Parameter Vortriebsgeschwindigkeit undMaterialaustragsvolumen bzw. Förderschneckendrehzahl.Bei einer Flüssigkeitsmaschine hingegen erfolgt die Regu-lierung des Stützdrucks mittels eines automatisch geregel-ten Druckluftposters in der Druckkammer hinter derTauchwand (Bild 9).

Bei Maschinen mit Durchmessern über 8 m könnenmit nur geringen Beeinträchtigungen beide Materialaus-tragsysteme parallel im Sohlbereich der Abbaukammer in-stalliert werden. Sobald allerdings die Baugrundverhält-nisse den Einsatz eines vor dem Saugstutzen angeordne-ten Steinbrechers im flüssigkeitsgestützten Modus erfor-derlich machen, entsteht bei einem Betriebsartwechsel einerheblicher mechanischer Mehraufwand – verbunden miteinem manuellen Eingriff bzw. damit notwendigen Druck-luftarbeiten. Diese sind insbesondere bei Maschinen-

Fig. 9. Basic layout of face pressure control for an EPB machine (left) and a slurry machine with submerged wall and airbubble (right)Bild 9. Systemskizze zur Stützdruckregulierung bei einer Erddruckmaschine (links) und bei einer Flüssigkeitsmaschine mitTauchwand und einem dahinter liegenden Druckluftpolster (rechts)

Fig. 10. Modular machine concept for changing between slurry machine (left) and earth pressure balance machine (right) byreplacing individual modulesBild 10. Modulares Maschinenkonzept für einen Wechsel zwischen Flüssigkeitsschild (links) und Erddruckschild (rechts)durch den Austausch einzelner Module



nelling showed that the high technical and logistic effortsrequired by using the Multi-mode TBM concept on the So-catop project proved to be worth it.

5 The Variable Density concept

Taking into consideration the fact that changing from slur-ry to earth pressure operation causes a great deal of effortin practice, Herrenknecht developed an innovative ma-chine concept that combines the generic advantages ofboth systems in one machine type. The development tar-get was to adapt the tunnelling mode without mechanicalmodification or conversion work in the excavation cham-ber, on the machine itself or in the gantry area.

durchmessern unterhalb von 8 m aufgrund beengter Platz-verhältnisse lediglich eingeschränkt möglich.

Umbaubare Maschinen mittleren und kleinerenDurchmessers wurden aus diesen Gründen bislang aufder Basis eines modularen Konzepts realisiert (Bild 10).Dies bietet die Möglichkeit, den Austausch einzelner Maschinenbaugruppen oder Funktionseinheiten in einemZwischenschacht entlang der Trasse vorzunehmen. Einmodulares Umbaukonzept für einen Betriebsartwechselim Tunnel wurde bis heute nicht realisiert. Es würde absehbar Arbeiten unter atmosphärischem Druck in der Abbaukammer erfordern und einen entsprechend hohen technischen und logistischen Aufwand verur -sachen.

Fig. 11. Machine for the Socatop project in slurry mode (left) and earth pressure mode (right)Bild 11. Maschine für das Projekt Socatop im flüssigkeitsgestützten (links) und im erddruckgestützten Modus (rechts)

Fig. 12. Overview of the Socatop tunnel alignment and mode of operation for VL1 and VL2 sectionsBild 12. Überblick über den Trassenverlauf und die jeweils eingesetzten Betriebsarten in den Abschnitten VL1 und VL2 desProjekts Socatop



The Herrenknecht Variable Density Machine is ahighly flexible machine type of this kind that can be oper-ated both in the classical STBM (slurry) mode using an airbubble system for face pressure control and in the classi-cal EPB mode using muck volume control for face pres-sure control. The change between operational modes canbe done gradually while in full and safe face pressure con-trol. There is no need for chamber interventions. An ex-tended operation with high density in the excavationchamber (high density mode) that is too high for standardslurry operation, but too low for EPB is an additional op-tion.

The machine functions as follows: muck is removedfrom the pressurized excavation chamber using a screwconveyor both in the earth pressure and slurry supportedmode. The face pressure is controlled in line with the re-spective mode via screw conveyor speed and muck extrac-tion volume or via a remote controlled air bubble. Com-municating pipes replace the non-existing opening in thesubmerged wall. In the EPB mode, the screw dischargesthe muck onto a belt conveyor (Fig. 13). In the slurrymode, the TBM is operated with a slurry circuit using anadditional Slurryfier Box at the end of the screw (Fig. 14).In the slurry mode, either a standard bentonite suspensionor, alternatively, a high-density suspension may be used.This also enhances the field of application for the VariableDensity TBM and makes the machine a universal solutionfor tunnelling through mixed ground of any kind.

Um den hohen Aufwand für ein Maschinenkonzeptzu rechtfertigen, das den vollständigen Wechsel von flüs-sigkeitsgestütztem zu erddruckgestütztem Betrieb im Tun-nel ermöglicht (Bild 11), müssen spezielle Projektvoraus-setzungen gegeben sein.

Beim Projekt Socatop in Paris [7] war dies beispiels-weise der Fall. Bei einer Gesamtlänge von 10 km verliefdie Trasse zu rund 60 % durch Böden, die optimal geeig-net für erddruck- oder druckluftgestützten Betrieb waren.Zu 40 % verlief sie in Böden, die optimal für den Einsatzeiner flüssigkeitsgestützten Maschine war. Das Maschi-nen- und Vortriebskonzept berücksichtigte darüber hi-naus, dass die jeweiligen Formationen in längeren zusam-menhängenden Trassenabschnitten auftraten (Bild 12).Insgesamt bestätigte der erfolgreiche Abschluss der Ma-schinenvortriebe den hohen technischen und logistischenAufwand im Projekt Socatop, der durch das Maschinen-konzept der hier eingesetzten Multi-Mode-TBM verursachtwurde.

5 Das Variable-Density-Konzept

Angesichts der Tatsache, dass ein Wechsel von flüssigge-stützter Betriebsart zu erddruckgestützter Betriebsart sichin der praktischen Umsetzung als eine aufwändige Auf -gabe erweist, entwickelte Herrenknecht ein neuartigesMaschinenkonzept. Es vereinigt die generischen Vorteilejedes der beiden Systeme in einem Maschinentyp. Die

Fig. 13. Variable Density Machine in open mode (left) and in EPB mode (right)Bild 13. Variable-Density-Maschine im offenen Betrieb (links) und im erddruckgestützten Betrieb (rechts)

Fig. 14. Variable Density Machine in high density operation (left) and in slurry mode (right)Bild 14. Variable-Density-Maschine im High-Density-Betrieb (links) und im flüssigkeitsgestützten Betrieb (rechts)



When fully equipped, the Variable Density Machinerequires two muck transport systems in the tunnel: a slur-ry circuit for STBM mode and muck cars or a tunnel con-veyor for the EPB mode. However, depending on the spe-cific project conditions, one of the two systems may bechosen to be the high performance primary system andthe other the reduced performance secondary system foreconomic reasons.

Muck is extracted from the excavation chamber of aVariable Density Machine via a screw conveyor in bothoperation modes. In the EPB mode, the twin screwarrangement with a flat gate between the front screw 1 andthe rear screw 2 has a muck discharge gate at the end ofscrew 1 to discharge the muck onto a belt conveyor. In theslurry mode, the discharge gate is closed and the flat gatebetween the front and the rear screw is open, and themuck is discharged into a closed Slurryfier Box at the rearend of screw 2. Inside the Slurryfier Box, a standard jawtype stone crusher can be installed in front of the suctiongrid. The crusher reduces larger particles that pass thescrew conveyor but are too large for the slurry circuit. Af-ter closing the flat gate between the two screws, the Slur-ryfier Box and/or crusher room is accessible under atmos-pheric conditions for maintenance (Fig. 15).

In both slurry and high density mode, muck transferwith the screw conveyor is a combination of mechanicaland hydraulic transportation. The compressed air neededto control the face pressure in the slurry mode is locatedin the front shield between two bulkheads. There is nosubmerged wall opening integrated at the invert, as is thecase in classical STBMs, but the connection between pres-sure chamber and excavation chamber is produced bycommunicating pipes between the chambers. Such tech-nology uses the concept of a closed invert, which has beensuccessfully applied for standard slurry machines before.

Zielvorgabe dabei war, den Vortriebsmodus anpassen zukönnen, ohne mechanische Modifikationen oder Umbau-arbeiten in der Abbaukammer an der Maschine selbst oderim Nachlaufbereich vornehmen zu müssen.

Dieser hochflexible Maschinentyp liegt mit der Her-renknecht „Variable-Density-Maschine“ vor, die sowohl inder klassischen flüssiggestützten Betriebsart unter Ein-satz eines Druckluftpolsters zur Stützdrucksteuerung alsauch in der klassischen erddruckgestützten Betriebsartunter Verwendung der Austragsvolumenkontrolle zurStützdrucksteuerung betrieben werden kann. Der Über-gang von der einen in die andere Betriebsart kann flie-ßend, das heißt unter voller Beibehaltung einer sicherenStützdruckkontrolle erfolgen. Die Notwendigkeit einesKammereinstiegs entfällt dabei. Ein längerer Betrieb in ei-nem Zwischenstatus mit höherer Kammerdichte (highdensity mode), die zu hoch für einen reinen Flüssigbe-trieb ist, aber zu gering für einen Erddruckbetrieb, istebenfalls möglich.

Zur Funktionsweise der Maschine: Sowohl im erd-druck- als auch im flüssigkeitsgestützten Modus wird derAbraum über einen Schneckenförderer aus der unterDruck stehenden Abbaukammer entnommen. Die Rege-lung des Stützdrucks erfolgt je nach Modus über Schne-ckendrehzahl und Vorschubgeschwindigkeit oder über einautomatisch geregeltes Druckluftpolster. Kommunizieren-de Röhren ersetzen die fehlende Tauchwandöffnung. ImEPB-Modus wird der Abraum von der Schnecke auf einFörderband abgeworfen (Bild 13). Im Flüssigkeitsmoduswird die TBM dank einer zusätzlichen Slurryfier-Box amEnde der Schnecke mit hydraulischem Förderkreislauf ge-fahren (Bild 14). Im Flüssigkeitsmodus kann entweder ei-ne normale Bentonitsuspension oder alternativ eine Sus-pension mit hoher Dichte (high density) genutzt werden.Das erweitert den Einsatzbereich der Variable-Density-

Fig. 15. Layout of a fully equipped Variable Density MachineBild 15. Schematische Darstellung einer komplett ausgestatteten Variable-Density-Maschine



In EPB mode, the filling volume of the pressure chambercan also be used as a pressurized bentonite reservoir forautomatic chamber refill in case of sudden face pressureirregularities.

Since the system, unlike standard slurry machines,has no crusher in the excavation chamber, the cutterheaddesign and tool configuration had to limit the particles.The particle size of muck reaching behind the cuttingwheel must correspond with the conveying capacity of thescrew conveyor used. Numerous successful EPB projectshave shown that a screw conveyor of at least 700 mm di-ameter can safely deal with bouldery conditions withoutany operational limits.

Depending on the project requirements, simplifiedsystems or specifically adapted versions of the VariableDensity Machine are possible. The large Slurryfier Box atthe end of the rear screw can be replaced by a smaller ver-sion with a rotary crusher, which was done for the OARSProject in Columbus USA, for example.

Another solution is a single screw conveyor with a com-bination of rotary crusher and Slurryfier Box at the outlet.The single screw version, however, requires more modifica-tions in this area, when changing the operation mode. In thiscase, the combination of rotary crusher and Slurryfier Boxmust be moved into a parking position before the belt con-veyor can be put in a working position for earth pressure op-eration. Such a configuration has clearly proved its worth inthe Port of Miami Tunnel project in Florida, USA. Currently,it is also being used in Kuala Lumpur, Malaysia.

For line 1 of the Klang Valley MRT project in KualaLumpur, Herrenknecht delivered not only two conven-tional 6.6 m earth pressure balance machines but also sixVariable Density Machines with the same diameter. By

TBM zusätzlich und macht die Maschine zu einer univer-sellen Lösung für Lockergestein-Vortriebe aller Art.

Voll ausgerüstet benötigt eine Variable-Density-Ma-schine zwei Abraumtransportsysteme im Tunnel: – Hydraulischer Förderkreislauf für die flüssigkeitsgestütz-

te Betriebsart, – Wagenförderung oder Tunnelband für die erddruckge-

stützte Betriebsart.

Allerdings kann auch je nach Projektgegebenheiten ausökonomischen Gründen eines der beiden Fördersystemeals Hauptsystem mit voller Leistungsfähigkeit und das an-dere als Nebensystem mit verminderter Kapazität ausge-legt sein.

Der Materialaustrag aus der Abbaukammer erfolgt beieiner Variable-Density-Maschine in beiden Betriebsartenmittels einer Förderschnecke. Die Doppelschneckenan-ordnung mit einem Absperrschieberschieber zwischen dervorderen Förderschnecke 1 und der hinteren Förderschne-cke 2 verfügt am hinteren Ende der Schnecke 1 über einenAbwurfschieber zur Übergabe des Abraums auf ein För-derband im erddruckgestützten Betrieb. Im flüssigkeitsge-stützten Betrieb ist dieser Abwurfschieber geschlossen undder Absperrschieber zwischen der vorderen und der hinte-ren Förderschnecke geöffnet. Hier wird der Abraum in ei-nen geschlossenen Spülkasten (Slurryfier-Box) am Endeder Förderschnecke 2 abgeworfen. In diesem Spülkastenkann vor dem Saugstutzen ein konventioneller Zangenbre-cher angeordnet werden. Er zerkleinert Korngrößen, diedie Schneckenförderer passieren können, die aber zu großsind für den Förderkreis. Nach dem Schließen des Ab-sperrschiebers zwischen den beiden Schnecken kann derSpülkasten bzw. Brecherraum beispielsweise für War-tungsarbeiten auch unter atmosphärischen Bedingungenbetreten werden (Bild 15).

Sowohl in der flüssigkeitsgestützten als auch in derHigh-Density-Betriebsart stellt der Abraumtransport mit-tels Förderschnecken eine Kombination aus mechani-scher und hydraulischer Förderung dar. Die im Flüssig-keitsbetrieb zur Stützdrucksteuerung notwendige Druck-luft wird im Frontschild zwischen zwei Druckwänden beaufschlagt. Die bei klassischen Flüssigkeitsschilden inte-grierte Tauchwandöffnung im Sohlsegment ist hier nichtvorgesehen. Stattdessen wird die Verbindung zwischender Druckkammer und der Abbaukammer über kommuni-zierende Röhren zwischen den Kammern hergestellt. Die-se Technik entspricht dem Konzept des abgeschottetenSohlsegments, das bereits bei reinen Flüssigkeitsschildenerfolgreich eingesetzt wurde. Im Erddruckbetrieb kanndas Füllvolumen der Druckkammer auch als vorgespann-tes Bentonitreservoir zur automatischen Nachspeisung indie Abbaukammer bei irregulären Stützdruckschwankun-gen verwendet werden.

Da das System nicht wie bei reinen Flüssigkeitsschil-den über einen Brecher in der Abbaukammer verfügt, mussdie Korngröße durch einen geeigneten Werkzeugbesatzund Korngrößenbegrenzungen am Schneidrad begrenztwerden. Die Korngröße des Materials, das hinter dasSchneidrad gelangt, muss der Förderkapazität des einge-setzten Schneckenförderers entsprechen. Eine Vielzahlerfolgreicher EPB-Projekte belegt, dass auch Grobkorn-vorkommen beim Einsatz eines Schneckenförderers von

Fig. 16. Kuala Lumpur: Chochrane Station launch shaft forfour Variable Density MachinesBild 16. Kuala Lumpur: Anfahrschacht Station Chochranefür vier Variable-Density-Maschinen



November 2013, four of the six Variable Density Machineshad been launched in intervals from one shaft. The totalstretch driven has reached a length of 2,000 m (Fig. 16).

So far, the machines have been operated in a slurrysupported low density mode and in a high density mode,when driving through carstic limestone (Fig. 14), reachingdensities in the excavation chamber of up to 1.5 t/m³. It isplanned to use the EPB mode with muck cars for mucktransport in the tunnel at a later point in time when thetunnel route passes through the Kenny Hill formation,which is suitable for this. In general, tunnelling experiencein difficult ground conditions to date has shown the enor-mous adaptability and flexibility of the system, not leastcompared with previous tunnelling operations with stan-dard slurry shields used in the same ground conditions.

6 Conclusion

Demanding, very varied ground conditions – in particularregarding face pressure or muck conveyance within indi-vidual tunnel alignments – require new and innovativetunnelling technologies. In view of the increasing range ofapplications over the past years, conventional singleshields, EPB machines and Mixshields may not meet re-quirements under certain project conditions concerningsafety and economic efficiency any more. Multi-mode tun-nelling machines from Herrenknecht fulfill all of thesehigh requirements; thanks to their flexible machine con-cept. They are used when conventional machines come upagainst their technical and economic limits. Against thisbackdrop, the Variable Density machine concept is notonly a further development of the convertible shield butalso a decisive innovation step. The concept clearly in-creases flexibility and safety in the tunnel and the ma-chine is almost universally usable in mixed ground.

References

[1] Abele, M.: Der Katzenbergtunnel. DB Projektbau GmbH.2012.

[2] Cuccaroni, A., Veyron, P., Lacroix, A., Russo, M.: EasternEuropean High Speed Rail Line: Stretch 47 and Saverne Tun-nel. AFTES Conference, Lyon 2011.

[3] Steiner, W., Becker, C.: Grauholz Tunnel in Switzerland:Large Mixed-Face Slurry Shield. RETC Conference, Seattle1991.

[4] Rieker, K.: Construction of Long Tunnels Using Mixshieldsin Slurry and Hard-Rock Mode – Finnetunnel. ITA Confer-ence, Vancouver 2010.

[5] Burger, W., Dudouit, F.: The Hallandsas Dual Mode TBM.RETC Conference, Las Vegas 2009.

[6] McDonald, J. Burger, W.: Lake Mead Intake Tunnel No. 3.Tunnel 4/2009.

[7] Toris, J. L.: A86-West Ring Road – a bi-mode TBM. ITAConference, Prag 2007.

Dipl.-Ing. Werner BurgerHead of Design Department Traffic TunnellingHerrenknecht AGSchlehenweg 277963 [email protected]

mindestens 700 mm Durchmesser ohne betriebliche Ein-schränkungen sicher beherrscht werden können.

In Abhängigkeit von den Projektanforderungen sindauch vereinfachte oder spezifisch angepasste Ausführun-gen der Variable-Density-Maschine möglich. Beispielswei-se kann der große Spülkasten am Ende der hinteren För-derschnecke durch eine kleinere Variante mit Walzenbre-cher ersetzt werden – wie derzeit beim Projekt OARS inColumbus in den USA.

Ebenso ist eine Lösung mit nur einer Förderschneckeund einer Walzenbrecher-Spülkasten-Kombination an derAbwurföffnung möglich. Die Einzelschneckenversion be-nötigt allerdings einen etwas erhöhten Umbauaufwand indiesem Bereich, wenn die Betriebsart gewechselt wird. DieWalzenbrecher-Spülkasten-Kombination muss hierfür ineine Parkstellung verschoben werden, bevor das Förder-band für den Erddruckbetrieb in Arbeitsposition gebrachtwerden kann. Eine solche Konfiguration hat sich beimProjekt Port of Miami Tunnel, Florida USA eindeutig be-währt. Sie ist derzeit auch in Kuala Lumpur, Malaysia imEinsatz.

Für die Linie 1 des Klang-Valley-MRT-Projekts in Kua-la Lumpur hat Herrenknecht neben zwei konventionellen6,6 m Erddruckschilden sechs Variable-Density-Maschi-nen gleichen Durchmessers geliefert. Bis November 2013wurden vier der sechs Variable- Density-Maschinen zeit-lich versetzt aus einem Schacht angefahren, die gesamt-haft aufgefahrene Streckenlänge beträgt 2.000 m (Bild 16).

Bislang werden die Maschinen in verkarstetem Kalk-stein im flüssiggestützen „low density“ als auch im „highdensity“ Modus betrieben (Bild 14) wobei Dichten in derAbbaukammer bis 1,5 t/m³ erreicht werden. Ein Betriebim EPB Modus mit Schutterzügen zur Materialförderungim Tunnel ist zu einem späteren Zeitpunkt geplant, wenndie Tunneltrasse in der dafür geeigneten Kenny-Hill For-mation verläuft. Gesamthaft zeigen die bisherigen Vor-triebserfahrungen in schwierigem Baugrund die enormeAnpassungsfähigkeit und Flexibilität des Systems, nichtzuletzt auch im Vergleich zu früheren Vortrieben mit rei-nen Flüssigkeitsschilden in gleichartigem Baugrund.

6 Zusammenfassung

Anspruchsvolle, stark wechselhafte Baugrundbedingun-gen – insbesondere hinsichtlich der Stützdruckverhältnis-se oder Fördereigenschaften des Abraums – innerhalb ein-zelner Tunneltrassen erfordern neue, innovative Vortriebs-techniken. Die in den vergangenen Jahren ständig erwei-terten Einsatzbereiche der klassischen Einfach-, EPB- undMixschilde genügen unter bestimmten Projektbedingun-gen nicht mehr den Sicherheits- und Wirtschaftlichkeits-anforderungen. Multi-Mode-Tunnelvortriebsmaschinenvon Herrenknecht erfüllen diese hohen Anforderungendank ihres flexibel ausgelegten Maschinenkonzepts. Siekommen zum Einsatz, wo herkömmliche Schilde an ihretechnischen und wirtschaftlichen Grenzen stoßen. Nebender Weiterentwicklung der umbaubaren Schilde stellt dasKonzept der Variable-Density-Maschine den entscheiden-den Innovationsschritt dar, da es die Flexibilität und Sicherheit im Tunnel deutlich erhört und man einer in Lockergestein universell einsetzbaren Vortriebsmaschinesehr nahe kommt.

31© 2014 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Geomechanics and Tunnelling 7 (2014), No. 1

As a result of growing urbanisation, subsurface space is devel-oped and has to be expanded. New and bigger tunnels are re-quired to meet the infrastructural needs. The ground is the deci-sive factor regarding the type of tunnelling method and its effi-ciency. The bigger such projects the greater the chance to en-counter inhomogeneous in situ ground conditions. This makes anadequate and economic choice of the process technology moredifficult, especially in mechanised shield tunnelling. A clear dif-ferentiation based on the grain-size distribution between the fieldof application of an EPB shield and a hydro shield nowadays ishardly possible. An application of a hydro shield machine in finesoils is just as feasible as tunnelling with EPB shields in coarsesoils. In this article, the authors explain selected geological con-ditions, which represent challenging situations for the applicationof EPB shields. Therefore, it is particularly focused on overcon-solidated cohesive soils, highly permeable non-cohesive soilsand sedimentary rock as well as areas of mixed face conditions(rock and soil). Moreover, test methods and tools for the planningand the construction phase are presented.

1 Face support with EPB shield machines1.1 Support pressure control

In unstable ground, the face has to be actively supportedin order to avoid surface settlement. EPB machines makeuse of the excavated soil to provide face support. The soilexcavated by the cutting wheel enters the excavationchamber, where the volume of soil retained can be regulat-ed through the advance rate and the pumping speed of thescrew conveyor. Depending on the compressibility of thesoil volume in the excavation chamber, the support pres-sure can be controlled as required to support the face. Therequired support pressure can be calculated depending onthe geometric (shield diameter, overburden depth), geolog-ical and hydrogeological conditions and any surcharge inthe area affecting the tunnel alignment.

The calculation of support pressure is based on theassumption of a linear (hydrostatic) distribution of sup-port pressure over the face, which is in equilibrium withthe prevailing ground and water pressures. However, eval-uation of data from earth pressure measurement systemsat the pressure bulkhead and cutting wheel [27] hasdemonstrated non-linear pressure distribution with strongfluctuations at times (Fig. 1). This showed in particular dif-ferences between the sensors at the cutting wheel andthose at the bulkhead, a reduction of support pressure

Im Zuge der fortschreitenden Urbanisierung wird der Bau neuerund größerer Tunnel erforderlich. Je größer solche Projekte an-gelegt sind, desto unwahrscheinlicher ist es, dass die In-situ-Bo-denverhältnisse homogen und verfahrenstechnisch eindeutigsind. Beim maschinellen Tunnelbau im Schildvortrieb ist der Bau-grund der entscheidende Faktor für die Auswahl und die Effizienzdes Bauverfahrens. Eine eindeutige Differenzierung zwischendem Einsatzbereich eines Erddruckschilds und eines Hydro-schilds nur auf Grundlage der Kornverteilung des Baugrunds istheute kaum noch möglich. Eine Verschiebung des Einsatzbe-reichs von Hydroschilden in den Feinkornbereich ist ebenso mög-lich wie die Erweiterung des Einsatzbereichs der Erddruckschildein grobkörniges Lockergestein. In diesem Beitrag erläutern dieAutoren ausgewählte geologische Situationen, die für den Ein-satz von Erddruckschilden eine besondere Herausforderung dar-stellen können. Exemplarisch sind dies überkonsolidierte bindigeBöden, stark durchlässige nichtbindige Böden sowie Sediment-festgesteine bzw. Bereiche mit gemischter Ortsbrust aus Fest-und Lockergestein. Es werden Untersuchungsmethoden undHilfsmittel für die Planung und Begleitung von Schildvortriebenvorgestellt.

1 Ortsbruststützung bei Erddruckschilden1.1 Stützdrucksteuerung

In nicht standfestem Baugrund muss die Ortsbrust aktivgestützt werden, um Oberflächensetzungen zu vermeiden.Beim Vortrieb mit Erddruckschilden findet die Ortsbrust-stützung mithilfe des abgebauten Bodens statt. Der durchdas Schneidrad gelöste Boden gelangt in die Abbaukam-mer. Das dort verbleibende Bodenvolumen kann über dieVortriebsgeschwindigkeit der Schildmaschine und die För-dergeschwindigkeit des Schneckenförderers reguliert wer-den. In Abhängigkeit der Kompressibilität des Bodenvolu-mens in der Abbaukammer kann der Stützdruck kontrol-liert werden, der zur Stützung der Ortsbrust erforderlichist. Der erforderliche Stützdruck errechnet sich in Abhän-gigkeit der geometrischen (Schilddurchmesser, Überde-ckungshöhe), geologischen und hydrogeologischen Rand-bedingungen und etwaiger Auflasten im Einflussbereichder Tunneltrasse.

Grundlegende Annahme für die Stützdruckberech-nung ist eine lineare (hydrostatische) Stützdruckvertei-lung über die Ortsbrust, die im Gleichgewicht zu den an-stehenden Erd- und Wasserdrücken steht. Allerdingskonnte durch Datenauswertung von Erddruckmesssyste-

Topics

Investigations for the application of EPB shields in difficult grounds

Untersuchungen für den Einsatz von Erddruckschildenin schwierigem Baugrund

DOI: 10.1002/geot.201310030Mario GalliMarkus Thewes


M. Galli/M. Thewes · Investigations for the application of EPB shields in difficult grounds

during interruptions of tunnelling and the influence of thescrew conveyor, which has to be taken particularly into ac-count. This example shows that the question of effectivesupport pressure distribution at the face has to be investi-gated much more sensitively. The properties of the sup-port medium are a decisive aspect, which can be checkedby planned testing.

Regarding the properties of the support medium, dis-cussions in the literature are mostly concerned with flowbehaviour or consistency, internal friction or shearstrength, stability, abrasiveness and tendency to clogging.These parameters can be summarised, partly from empiri-cal values from practical experience and partly from labo-ratory tests, into the following requirements for the sup-port medium:– Appropriate flow behaviour of the support medium is re-

quired in order to ensure sufficient material flow in theexcavation chamber and screw conveyor. According toMaidl [19], a consistency index IC between 0.40 and 0.75is ideal. In non-cohesive soils, the consistency index canno longer be used as a measure. In this case the termworkability from concrete technology has become es-tablished and is expressed through the slump accordingto [10] as an index value for the workability. Various au-thors [9] [34] describe slumps between 10 (or 15) and20 cm as a suitable range for the workability of the sup-port medium. The support material should at the sametime show sufficient penetration resistance for muckconveyance and tipping of the excavated material.

– Homogeneous material properties and particularly suffi-cient compressibility are also required for uniform sup-port pressure transfer to the ground as well as to damp-en volume and support pressure fluctuations and forpressure gradient in the screw conveyor [27]. The com-pressibility is determined according to Budach [8] [9] de-pending on the geometrical dimensions of the tun-nelling machine.

– The hydraulic conductivity should – particularly incoarse-grained soil – according to Abe et al. [1] have a

men an Druckwand und Schneidrad [27] eine nichtlineareund zeitlich starken Schwankungen unterliegende Druck-verteilung nachgewiesen werden (Bild 1). Insbesonderewurden dabei Unterschiede zwischen den Sensoren anSchneidrad und Druckwand, eine Verringerung des Stütz-drucks während Vortriebspausen und ein besonders zuberücksichtigender Einfluss des Schneckenförderers auf-gezeigt. Dieses Beispiel zeigt, dass der Frage der effektivenStützdruckverteilung an der Ortsbrust viel sensibler nach-gegangen werden muss. Dabei sind die Eigenschaften desStützmediums ein maßgebender Aspekt, der durch geziel-te Überprüfung kontrolliert werden kann.

Hinsichtlich der Stützmaterialeigenschaften werdenin der Literatur im Wesentlichen das Fließverhalten bzw.die Konsistenz, die Kompressibilität, die Wasserdurchläs-sigkeit, die innere Reibung bzw. Scherfestigkeit, die Stabi-lität, die Abrasivität und die Verklebungsneigung disku-tiert. Diese Parameter lassen sich teils durch empirischeErfahrungswerte aus der Praxis und teils durch Laborver-suche in Anforderungen an das Stützmedium wie folgt zu-sammenfassen:– Ein geeignetes Fließverhalten des Stützmediums ist er-

forderlich, um einen ausreichenden Materialfluss in Ab-baukammer und Schneckenförderer sicherzustellen.Nach Maidl [19] ist hier eine Konsistenzzahl IC zwi-schen 0,40 und 0,75 anzustreben. Bei nichtbindigen Bö-den kann die Konsistenzzahl nicht mehr als Maßzahlherangezogen werden. Vielmehr hat sich dann der Be-griff der Verarbeitbarkeit aus der Betontechnologiedurchgesetzt und wird über das Setzmaß nach [10] alsIndexwert für die Verarbeitbarkeit ausgedrückt. Ver-schiedene Autoren [9] [34] bezeichnen Setzmaße zwi-schen 10 (bzw. 15) und 20 cm als geeigneten Bereich fürdie Verarbeitbarkeit des Stützmediums. Gleichzeitigsollte das Stützmaterial eine ausreichende Stichfestig-keit für den Abraumtransport und die Deponierung desAushubs aufweisen.

– Homogene Materialeigenschaften und insbesondere ei-ne ausreichende Kompressibilität sind ferner für eine

Fig. 1. Analysis of earth pressuresensors regarding the actual sup-port pressure distribution of anEPB shield [27]Bild 1. Auswertung von Erd-druckmesssensoren zur tatsäch-lichen Stützdruckverteilung beieinem Erddruckschildvortrieb [27]



value of k < 10–5 m/s in order to avoid or reduce desta-bilising flow forces at the face, see [28]. This also avoidsthe danger of uncontrolled inflow of groundwater intothe excavation chamber.

– Low internal friction of the support medium means thatthe drive torque and thus the electricity consumption ofthe cutting wheel and screw conveyor can be kept low,as well as the material wear to the cutting tools and oth-er mechanical components [28].

– In fine-grained soils, the tendency to clogging is particu-larly significant. Especially clayey, perhaps even over-consolidated soils show high clogging potential, whichdepends on their plasticity and consistency and theirclay minerals, see [13] [14]. It is thus important to con-trol the consistency of the support medium by appropri-ately influencing the water content.

– The support material must provide sufficient (sedimen-tation) stability, above all during stoppages [16]. This isparticularly important when an additive like foam,which only has temporary and highly changeable stabil-ity, is added to the support medium, see [3]. When thefoam decomposes, the result can be separation in the ex-cavation chamber and thus uneven support pressuretransfer. If an air bubble forms in the crown, this can al-so lead to a danger of blowouts in course-grained soils.

1.2 Scope of application of EPB shield machines

Working from the support medium requirements statedabove, areas for the effective application of earth pressureshields can be defined. The various requirements can beof more or less significance depending on the compositionof the ground. For example, fine-grained cohesive soils, de-pending on their mineralogy, often pose a high risk ofclogging, while their hydraulic conductivity in the naturalstate is very low. Coarse-grained soils, on the other hand,may demand measures to artificially produce sufficientflow capability and sufficiently low hydraulic conductivitythrough the appropriate soil conditioning.

In principle, the classic range of application and anextended range can be differentiated for earth pressureshield machines. Fig. 2 shows areas of application for EPBmachines depending on grain size, conditioning agent andwater pressure, based on lap test and values from tun-nelling experience. According to Maidl et al. [18], the clas-sic area is in soils with a fines content (d ≤ 0.063 mm) of atleast 30 % by weight. In this case only water and an anti-clogging additive may have to be added to fulfil the re-quirements for the support medium. The boundary of theclassic area of application is shown by line 1. Past line 1 isthe extended area of application for EPB machines. Withthe use of foams, polymers and suspensions of fine mater-ial, EPB machines can be used in highly permeable soils.The use of additives is necessary in order to temporarilygive the support medium the missing properties and thusfulfil the requirements (soil conditioning).

Budach and Thewes [9] investigated the extendedarea in more detail in laboratory tests and modified thearea of application in terms of grain size distributions.Fig. 3 shows the new area of application for earth pressureshield tunnelling in non-cohesive soils, taking into ac-count the use of various soil conditioning agents (foams,

gleichmäßige Stützdruckübertragung auf den Baugrundsowie zur Dämpfung von Volumen- und Stützdruck-schwankungen und zum Druckabbau in der Förder-schnecke erforderlich [27]. Die Kompressibilität be-stimmt sich nach Budach [8] [9] in Abhängigkeit der geo-metrischen Abmessungen der Schildmaschine.

– Die Wasserdurchlässigkeit sollte – insbesondere beigrobkörnigem Lockergestein – nach Abe et al. [1] einenWert von k < 10–5 m/s besitzen, um destabilisierendeStrömungskräfte an der Ortsbrust zu vermeiden oder zuverringern, vgl. [28]. Außerdem besteht so kaum Gefahreines unkontrollierten Zuflusses von Grundwasser indie Abbaukammer.

– Eine geringe innere Reibung des Stützmediums führtdazu, dass sowohl die Antriebsdrehmomente bzw. derEnergiebedarf von Schneidrad und Schneckenfördererals auch der Materialverschleiß an Abbauwerkzeugenund anderen Maschinenkomponenten gering gehaltenwerden können [28].

– In feinkörnigen Böden ist die Verklebungsneigung vonbesonderer Bedeutung. Insbesondere tonige, vielleichtsogar überkonsolidierte Böden weisen in Abhängigkeitihrer Plastizität und Konsistenz und der Tonmineraleein hohes Verklebungspotenzial auf, vgl. [13] [14]. Daherist es wichtig, durch eine entsprechende Beeinflussungdes Wassergehalts die Konsistenz des Stützmediums zukontrollieren.



polymers, suspensions of fine material). These have beensupplemented with practical recommendations accordingto Fig. 2 from [18]. From this diagram, it is clear that EPBmachines can also be used in fine-gravelly sands, but onlywith the use of foam as conditioning agent, if the soil has

– Das Stützmaterial muss vor allem bei Vortriebsstillstän-den eine ausreichende (Sedimentations-)Stabilität auf-weisen [16]. Dies ist insbesondere wichtig, wenn demStützmedium ein Zusatzmittel wie Schaum zugegebenwird, das nur eine zeitliche, stark veränderliche Stabilität

Fig. 2. Application ranges for EPB shields according to [18]. Area 1 with IC = 0.40–0.75, Area 2 with k < 10–5 m/s and waterpressure < 2 bar, Area 3 with k < 10–4 m/s and without water pressureBild 2. Einsatzbereich der Erddruckschilde nach [18]. Bereich 1 mit IC = 0,40–0,75, Bereich 2 mit k < 10–5 m/s und Wasser-druck < 2 bar, Bereich 3 mit k < 10–4 m/s und ohne Grundwasserdruck

Fig. 3. Application ranges for EPB shields in coarse soils in dependence of the conditioning agents according to [9] supple-mented by application ranges according to [18]Bild 3. Einsatzgrenzen von Erddruckschilden für grobkörnige Böden in Abhängigkeit des Konditionierungsmittels nach [9]im Vergleich zu Einsatzgrenzen nach [18]



a fines content of about 5 % by weight and the water pres-sure is limited to 3 bar. If the fine fraction is still less, theaddition of further additives is required.

A derivation of any soil conditioning measures fromthe grain size distribution of the ground alone using thesediagrams is however still not possible [29]. But they do of-fer a good assignment of the necessary additional mea-sures to be expected for efficient tunnelling. This is illus-trated for three selected tunnelling situations in the fol-lowing sections.

2 Tunnels in overconsolidated, cohesive soils 2.1 Challenges

In highly cohesive, overconsolidated soils, particularlywith stiff, semi-solid and solid consistencies, high drivetorques are often required to cut into the ground. In orderto reduce the consistency, water and foam are normallyadded to condition the soil, which changes the workabilityproperties (plasticity) of the soil material. This does how-ever also increase the danger of clogging (caking), particu-larly to the cutting wheel arms and openings. The cause ofthis is homogenising effects in the water balance of an ex-cavated clay soil, which makes the workability (consisten-cy) variable with time (Fig. 4). Initially, the soil is shavedoff by the cutting tools in the form of clay lumps or chips,which can be classified according to their soil physical andmineralogical properties like grains of gravel. The addi-tion of water and the input of mixing energy from the ro-tation of the cutting wheel results in a soft, flowing consis-tency. The water turns the outer parts of the clay lumps in-to a soft or pasty consistency, with the hard core of exca-vated clay lumps “floating” in the mixture of water andsoftened clay. This produces a suitable remoulded earthmud for face support. Over time – particularly while themachine is stopped – the consistency of the componentsof the support medium can balance (homogenise), aboveall when no further water is added. The earth mud canthus stiffen again and cause clogging.

2.2 Possible methods of evaluating clogging potential

In recent investigations, the consistency of the actual clog-ging material from the excavation chamber has been eval-

besitzt, vgl. [3]. Beim Zerfall des Schaums kann es zu einer Entmischung in der Abbaukammer und dadurchzu einer ungleichmäßigen Stützdruckübertragung kom-men. Bei einer Luftblasenbildung in der Firste besteht ingrobkörnigen Böden außerdem die Gefahr von Ausblä-sern.

1.2 Einsatzbereiche von Erddruckschilden

Basierend auf den vorgenannten Anforderungen an dasStützmedium lassen sich daraus Bereiche für einen effek-tiven Einsatz von Erddruckschilden definieren. In Abhän-gigkeit der Baugrundzusammensetzung können die ver-schiedenen Anforderungen von größerer oder geringererBedeutung sein. Beispielsweise besitzen feinkörnige, bin-dige Böden unter Berücksichtigung ihrer Mineralogie oft-mals ein hohes Verklebungsrisiko, während die Wasser-durchlässigkeit im natürlichen Zustand sehr gering ist. Beigrobkörnigen Böden hingegen muss eine ausreichendeFließfähigkeit und eine ausreichend geringe Wasserdurch-lässigkeit unter Umständen durch eine gezielte Bodenkon-ditionierung künstlich erzeugt werden.

Grundsätzlich kann zwischen dem klassischen Ein-satzbereich und einem erweiterten Einsatzbereich für Erd-druckschilde unterschieden werden. Bild 2 zeigt Einsatz-bereiche für Erddruckschilde in Abhängigkeit von Korn-größe, Konditionierungsmittel und Wasserdruck, die aufLaborversuche sowie Erfahrungswerten der Tunnelbau-praxis beruhen. Nach Maidl et al. [18] ist der klassischeEinsatzbereich auf Böden mit einem Feinkornanteil(d ≤ 0,063 mm) von mindestens 30 M.-% zu beziehen. Hiersind ggf. Wasser und Anti-Verklebungs-Additive zur Erfül-lung der Anforderungen an das Stützmedium zuzugeben.Die Abgrenzung des klassischen Einsatzbereichs erfolgtdurch Linie 1. Daran schließt sich der erweiterte Einsatz-bereich für Erddruckschilde an. Unter Verwendung vonSchäumen, Polymeren und Feinstoffsuspensionen könnenErddruckschilde danach bis in stark durchlässige Bödeneingesetzt werden. Der Einsatz von Zusatzmitteln ist erfor-derlich, um dem Stützmedium temporär fehlende Eigen-schaften zu verleihen und so den erforderlichen Anforde-rungen zu begegnen (Bodenkonditionierung).

Budach und Thewes [9] haben auf Grundlage von La-borversuchen mit grobkörnigen Böden ohne oder nur mit

Fig. 4. Development of the water balance in clayey support mediumBild 4. Homogenisierungseffekte imWasserhaushalt von tonigen Stütz -medien



uated. Weh et al. [35] report practical experience that thematerial excavated by EPB machines in open mode is par-ticularly sticky at soft to stiff consistency. According to ex-perience [14], a soft consistency is dominant among 150samples from clogging material from current open andslurry-supported shield tunnel drives. Accordingly a softconsistency is predominant for the actual material clog-ging the excavation chamber, independent of the tun-nelling process. The tendency to stick reduces with stifferand pastier consistency.

In addition to the natural water content, the freelyavailable water (groundwater, process water) must be paidparticular attention. It has to be assumed that soils can bechanged into sticky material at different rates dependingon their initial consistency, plasticity and the availabilityof water. The more water is present in the tunnelling sys-tem, the higher and more solid are the ranges of consis-tency of natural soil, which can be changed to a consisten-cy that is critical for clogging due to contact with the waterinherent in the system. The available water quantity de-pends both on the hydrogeological and the constructionoperational conditions [14].

On EPB drives in open mode (without face support),groundwater can flow in from a jointed rock mass. The re-sulting water volume in relationship to the soil excavatedas the tunnel advances depends however not only on theyield of the water ingress but also on the duration of stop-pages and the cross-sectional area. Particularly afterlonger stoppages, the consistency of the muck can vary inthe course of an advance cycle (first mud, then sticky ma-terial and finally dry material with lumps). Weh et al. [35]

geringem Feinanteil den erweiterten Einsatzbereich ge-nauer untersucht und den Einsatzbereich in Bezug aufKorngrößenverteilungen modifiziert. Bild 3 zeigt die neu-en Einsatzbereiche für Erddruckschildvortriebe in nicht-bindigen Böden unter Berücksichtigung verschiedener Bodenkonditionierungsmittel (Schäume, Polymere, Fein-stoffsuspensionen) und Wasserdrücke. Diese werden er-gänzt durch die Praxisempfehlungen aus Bild 2 nach [18].Aus diesem Diagramm wird deutlich, dass Erddruckschil-de auch in feinkiesigen Sanden nur unter Verwendungvon Schaum als Konditionierungsmittel eingesetzt werdenkönnen, wenn der Boden dabei einen Feinkornanteil vonca. 5 M.-% besitzt und der Wasserdruck auf 3 bar be-schränkt ist. Bei geringerer Feinkornfraktion wird eine Zu-gabe weiterer Additive erforderlich.

Eine pauschale Ableitung etwaiger Bodenaufberei-tungsmaßnahmen alleine über die Kornverteilung desBaugrunds und mithilfe dieser Diagramme ist jedochtrotzdem nicht möglich [29]. Sie bieten allerdings eine gute Einordnung der zu erwartenden notwendigen Zusatz-maßnahmen für einen effizienten Vortrieb. Dies soll an-hand von drei ausgewählten Vortriebssituationen inschwierigen Baugründen in den nachfolgenden Kapitelnveranschaulicht werden.

2 Vortrieb in überkonsolidierten, bindigen Böden 2.1 Herausforderungen

In stark bindigen überkonsolidierten Böden, insbesonderebei steifer, halbfester und fester Konsistenz, treten häufighohe Antriebsdrehmomente zur Lösung des Baugrunds

Fig. 5. New classification diagram for clogging with the typical consistency range of EPB support mud [14]Bild 5. Verklebungsdiagramm nach [14] mit den typischen Konsistenzbereichen für Erddruckschilde



describe the dependencies between ground water and con-struction operational effects on EPB machines in openmode [14].

For EPB machines working in earth pressure mode, adefined quantity of water is added (as water or in the formof foam) in order to condition the muck into an earthmud. The evaluation of the susceptibility to clogging of atype of ground must therefore always take into accountthe availability of conditioning water under the given con-ditions in the tunnel [14].

With the intention of providing an evaluation schemefor every type of TBM, Hollmann and Thewes [14] devel-oped a classification diagram, in which the consistenciesthat are problematic for tunnelling (clogging: pasty-soft-stiff, dispersing fines: stiff) are displayed as critical fieldsand the effects of changes in water content can be read off(Fig. 5). A soil with a certain initial consistency “runsthrough” the diagram with increasing water content paral-lel to the contour of the plasticity index. The relativechange of water content, which leads to the conversion ofa soil into a critical consistency, can thus be read off fromthe diagram.

The smaller the change of water content necessary toreach a critical consistency for clogging, the less freelyavailable water is necessary. A soil will thus be convertedmore quickly and easily into clogging material, the nearerit lies in the diagram to the consistency that is critical forclogging. With increasing plasticity index, the risk of clog-ging thus increases since the plastic consistency zones arecovered more widely, i.e. by a wider range of possible wa-ter contents. At low plasticity indexes, clogging can onlyoccur within a narrow range of water content since the

auf. Um die Konsistenz zu reduzieren, werden in der RegelWasser und Schaum zur Bodenkonditionierung beigege-ben. Dadurch werden die Verarbeitungseigenschaften(Bildsamkeit) des Bodenmaterials verändert. Jedoch er-höht sich gleichzeitig die Gefahr von Verklebungen (Ver-backungen), insbesondere der Schneidradarme und derSchneidradöffnungen. Verantwortlich dafür zeigen sichHomogenisierungseffekte im Wasserhaushalt eines abge-bauten Tonbodens, welche die Verarbeitbarkeit (Konsis-tenz) zeitlich veränderlich machen (Bild 4). Zunächst wirdder Boden durch die Abbauwerkzeuge in Form von Ton-klumpen bzw. -spänen abgeschält, die je nach bodenphysi-kalischen und mineralogischen Eigenschaften wie Kies-körner klassifiziert werden könnten. Durch die Zugabevon Wasser und den Eintrag von Mischenergie durch dieSchneidradrotation entsteht eine weiche, fließende Kon-sistenz. Randbereiche der Tonklumpen werden durch dasWasser in eine weiche bis breiige Konsistenz versetzt, wo-bei der harte Kern abgebauter Bodenklumpen in dem Ge-misch aus Wasser und aufgeweichtem Ton „schwimmt“.Dadurch entsteht ein für die Ortsbruststützung geeigneterErdbrei. Über die Zeit – insbesondere bei Vortriebsstill-ständen – kann es zu einem Ausgleich (Homogenisierung)der Konsistenz innerhalb der Bestandteile des Stützmedi-ums kommen, vor allem wenn kein weiteres Wasser zuge-geben wird. Der Erdbrei kann sich dadurch wieder verstei-fen, und es kann zu Verklebungen kommen.

2.2 Bewertungsmöglichkeiten für Verklebungsneigung

In neueren Untersuchungen wurde auch die Konsistenzdes eigentlichen Verklebungsmaterials aus der Abbaukam-

Fig. 6. Aims of consistency for the support medium in overconsolidated cohesive grounds: soft consistency in the centre between the cutting wheel arms, soft to stiff consistency in the outer areaBild 6. Zielsetzung für die Konsistenz des Stützmediums in überkonsolidierten bindigen Böden: weiche Konsistenz im Zentrum zwischen den Schneidradarmen, weiche bis steife Konsistenz im äußeren Bereich



sticking consistency zones can only be reached at few pos-sible water contents.

2.3 Conditioning process

Clogging in overconsolidated clays can be greatly reducedby the targeted use of conditioning agents. The addition ofwater for conditioning should mostly be fed into the cen-tre of the cutting wheel and the excavation chamber in or-der to achieve a soft consistency there. The purpose is totransport the excavated muck with as few problems as pos-sible through the arms at the back of the cutting wheel inorder to avoid clogging and bridge formation here, whichcould damage the drive and result in high torques. In ad-dition, foam can also be injected to reduce the tendency toclogging. In the outer parts of the excavation chamber, arather stiffer consistency is not a problem since this assiststhe conveyance of the muck. Fig. 6 shows a diagram ofideal conditioning for earth pressure tunnelling in over-consolidated cohesive soils.

In addition to adequate conditioning, thorough mix-ing also has to be ensured by providing stators on thebulkhead and on the back of the cutting wheel. The po-tential danger of clogging during stoppages can also be re-duced by adding further water and occasionally turningthe cutting wheel.

3 Tunnelling in highly permeable, non-cohesive soils3.1 Challenges

Tunnelling in highly permeable, non-cohesive soils (sands,gravelly sands) is a great challenge for EPB machines andis way outside the classic range of application. Condition-ing of the excavated muck is essential in order to tem-porarily provide the support medium with adequate prop-erties. Typical permeabilities for sands and gravelly sandsare given at k = 10–5 to 10–3 m/s [23], which exceed the rec-ommended guideline value according to [1]. In such per-meable soils, seepage flows can occur in the ground nearthe face and have a destabilising influence on the stabilityof the face, see [2]. In case of high consolidation densities,very high torques can result, which together with the high-er quartz content in sands and gravels can worsen wear tothe excavation tools and machine components [31]. Theaim must therefore be to take the appropriate condition-ing measures so that the muck can fulfil the requirementsstated in Section 1.1.

3.2 Conditioning

Tenside foams are normally used as a conditioning agentin sands and gravelly sands. According to the concentra-tion of the tenside solution cf and the mixing ratio of airand liquid measured by the parameter FER (Foam Expan-sion Ratio), foams of varying stability and dryness can beproduced. Definitions of the manufacturing parametersands factors affecting foam production and quality can befound, for example, in [27].

The introduction of foams into the soil during the ex-cavation process can produce both improved compress-ibility and a repellent effect in the face against prevailinggroundwater. The soil also becomes capable of flowing

mer ausgewertet. Weh et al. [35] berichten über Erfahrun-gen aus der Praxis, denen zufolge das Ausbruchsmaterialoffen gefahrener EPB-Schilde bei weicher bis steifer Kon-sistenz besonders klebrig ist. Erfahrungen zufolge [14] do-miniert bei 150 Proben von Verklebungen aus aktuellenoffenen und flüssigkeitsgestützten Schildvortrieben eineweiche Konsistenz. Demzufolge ist beim eigentlichen Ver-klebungsmaterial in der Abbaukammer die weiche Konsis-tenz, unabhängig vom Vortriebsverfahren, vorherrschend.Die Verklebungsneigung nimmt in Richtung steifer undbreiiger Konsistenzen ab.

Zusätzlich zum natürlichen Wassergehalt muss insbe-sondere das freie verfügbare Wasser (Bergwasser, Prozess-wasser) berücksichtigt werden. Dabei ist davon auszugehen,dass Böden in Abhängigkeit von der Ausgangskonsistenz,ihrer Plastizität sowie der Verfügbarkeit von Wasser unter-schiedlich schnell in klebriges Material umgewandelt wer-den können. Je mehr Wasser im System des Vortriebs vor-handen ist, desto höhere und festere Konsistenzbereichedes natürlichen Bodens können infolge des systembeding-ten Kontakts mit Wasser in eine für Verklebungen kritischeKonsistenz überführt werden. Die verfügbare Wassermengehängt sowohl von den hydrogeologischen als auch den bau-betrieblichen Randbedingungen ab [14].

Bei offen gefahrenen EPB-Vortrieben (ohne Orts-bruststützung) kann aus einem geklüfteten Gebirge Berg-wasser zulaufen. Das resultierende Wasservolumen imVerhältnis zum abgebauten Boden während des Vortriebshängt dabei aber nicht nur von der Stärke des Wasserzu-tritts sondern auch von der Dauer der Stillstände und derQuerschnittsgröße ab. Insbesondere nach längeren Still-ständen kann die Konsistenz des Ausbruchsmaterials imLaufe eines Vortriebszyklus variieren (zunächst Schlamm,dann klebriges Material und schließlich trockenes Mate -rial mit Klumpen). Weh et al. [35] beschreiben die Abhän-gigkeiten zwischen Bergwasser und baubetrieblichen Aus-wirkungen bei offen gefahrenen EPB-Schilden [14].

Bei EPB-Schilden im Erddruck-Modus erfolgt einedefinierte Flüssigkeitszugabe (als Wasser oder in Form vonSchaum), um den gelösten Boden zu einem Erdbrei zukonditionieren. Die Bewertung der Verklebungsanfällig-keit eines Baugrunds muss daher immer auch die Verfüg-barkeit von Konditionierungswasser unter den jeweiligenRandbedingungen berücksichtigen [14].

Unter der Zielsetzung, ein Bewertungsschema für je-den TVM-Typ bereitzustellen, wurde von Hollmann undThewes [14] ein Klassifikationsdiagramm entwickelt, beidem die im Vortrieb wirksamen problematischen Konsis-tenzen (Verklebungen: breiig-weich-steif, freigesetztesFeinkorn: flüssig) als kritische Felder dargestellt und dieEffekte von Wassergehaltsänderungen ablesbar werden(Bild 5). Ein Boden mit bestimmter Ausgangskonsistenz„durchläuft“ mit zunehmendem Wassergehalt das Dia-gramm parallel zur Isolinie der Plastizitätszahl. Dabei istdie relative Änderung des Wassergehalts, die zur Umwand-lung eines Bodens in eine kritische Konsistenz führt, imDiagramm ablesbar.

Je geringer die notwendige Änderung des Wasserge-halts zum Erreichen einer für das Verkleben kritischenKonsistenz ist, desto weniger frei verfügbares Wasser istdafür nötig. Ein Boden wird also schneller und leichter inVerklebungsmaterial umgewandelt, je näher er im Dia-



with the addition of foam and if the dosage is correct,shows similar plastic flow behaviour to (water-condi-tioned) cohesive soil. In order to preserve sufficient stabil-ity of the mix, long drainage times are advantageous in or-der that the process of the foam decomposing in the sup-port material proceeds as slowly as possible. The forma-tion of an air bubble in the crown leads to uneven andperhaps insufficient pressure transfer to the face and alsorepresents a danger regarding blowout safety [16].

Foam is added through injection points in the cuttingwheel, at the pressure bulkhead and in the screw convey-or. The volume added can be controlled through the con-ditioning parameter FIR (Foam Injection Ratio) depend-ing on the advance rate and the excavation diameter. It isusual to provide a foam lance at each injection point, al-though the foam volume flows are not usually defined foreach foam lance but rather for the three conditioningzones cutting wheel, excavation chamber and screw con-veyor. It should be noted here that the FIR refers to the to-tal foam requirement, as can be seen from the followingequation:

where QF is the total foam volume flow [m³/s], vAdv the ad-vance rate [m/s] and AExc the circular excavation area[m²].

In case it is not possible to adequately produce thedecisive properties of the support medium (flow capabili-ty, hydraulic conductivity, compressibility, stability) solelyby adding foam, additional conditioning with polymers orsuspensions of fines may be necessary. The use of finessuspensions artificially increases the fines content of theexcavated soil and thus theoretically moves the area of ap-plication of an EPBM further into the fine-grained area ofthe application diagram. The addition of suspensions doeshowever need a separate injection system on the machineand demands additional quality assurance, associatedwith increased costs and logistical demands. The tippingvolume is also increased through the extra input of mater-ial, so the use of fines may lead to extra costs at both ends.Such a situation could be one of the decisive limiting fac-tors for the cost-effective application of an earth pressuremachine in coarse-grained soil, so the feasibility and limitsof application therefore need to be determined in ad-vance.

The use of polymers depends on the product. Thepolymer is added to the foam or as a separate suspensiondirectly into the excavation chamber [17]. Particularly thepolymers described as super absorbers with their high ca-pacity of binding water can improve the stability of thesupport medium in relatively small quantities.

Whatever conditioning agent is used, the condition-ing parameters cannot be determined precisely from thegrading distribution curve. Experience from similarground conditions can be useful, see [11] [15], althoughjust slight deviations in consolidation, mineralogy, watercontent and fines content can lead to great differences inthe requirements for soil conditioning. Thus guideline val-ues for the FIR should be determined in the laboratory,see [20] [29].

FIRQ

v · A·100 [%]F

Adv Exc( )=

gramm an der verklebungskritischen Konsistenz liegt. Mitzunehmender Plastizitätszahl steigt daher das Risiko vonVerklebungen, da die plastischen Konsistenzbereiche brei-ter, d.h. durch eine größere Bandbreite möglicher Wasser-gehalte, abgedeckt werden. Bei niedrigen Plastizitätszah-len können Verklebungen nur innerhalb eines engen Be-reichs für den Wassergehalt auftreten, da die klebendenKonsistenzbereiche nur bei wenigen möglichen Wasser -gehalten erreicht werden.

2.3 Vorgehen bei der Konditionierung

Verklebungen in überkonsolidierten Tonen können durchgezielten Einsatz von Konditionierungsmitteln stark redu-ziert werden. Die Zugabe von Wasser zur Konditionierungsollte in besonderem Maß im Zentrum des Schneidradsund der Abbaukammer erfolgen, um dort eine weicheKonsistenz zu erzielen. Ziel ist es, den abgebauten Bodenmöglichst problemlos durch die rückwärtigen Schneid -radarme zu transportieren, um hier Verklebungen undBrückenbildungen zu vermeiden, die antriebsschädigendwirken und hohe Drehmomente verursachen können. Fer-ner kann auch Schaum zur Reduktion der Verklebungs-neigung injiziert werden. In den äußeren Bereichen derAbbaukammer ist eine etwas steifere Konsistenz nicht vonNachteil, da sie die Abraumförderung begünstigt. Bild 6zeigt schematisch die Zielsetzung der Konditionierung fürden Vortrieb mit Erddruckschilden in überkonsolidiertenbindigen Böden.

Neben einer adäquaten Konditionierung ist außer-dem eine gezielte Durchmischung erforderlich. Dafür soll-te auf der Maschine ein System aus Statoren auf derDruckwand und der Rückseite des Schneidrads vorgese-hen werden. Des Weiteren könnten bei Stillständen eineweitere Wasserzugabe und das zeitweise Drehen desSchneidrads die potenzielle Gefahr von Verklebungen ver-ringern.

3 Vortrieb in stark durchlässigen, nichtbindigen Böden3.1 Herausforderungen

Der Vortrieb in stark durchlässigen, nichtbindigen Böden(Sande, kiesige Sande) stellt für Erddruckschilde eine gro-ße Herausforderung dar, bewegt man sich doch weit au-ßerhalb des klassischen Einsatzbereichs. Hier ist nun eineKonditionierung des abgebauten Bodens unausweichlich,um dem Stützmedium temporär adäquate Eigenschaftenzu verleihen. Typische Durchlässigkeiten für Sande undkiesige Sande sind mit k = 10–5 bis 10–3 m/s angegeben[23], die den empfohlenen Richtwert nach [1] überschrei-ten. Bei solchen Durchlässigkeiten können Sickerströ-mungen im Baugrund nahe der Ortsbrust auftreten, die ei-nen destabilisierenden Einfluss auf die Standsicherheitder Ortsbrust ausüben, vgl. [2]. Im Fall von hohen Lage-rungsdichten können sehr hohe Antriebsdrehmomenteauftreten, die gemeinsam mit größeren Quarzanteilen inder Mineralogie von Sanden und Kiesen das Verschleißenvon Abbauwerkzeugen und Maschinenkomponenten be-günstigen [31]. Zielsetzung muss es daher sein, durch ge-eignete Konditionierungsmaßnahmen des abgebauten Bo-dens die in Kapitel 1.1 aufgeführten Anforderungen zu er-füllen.



3.3 Recommendations for laboratory tests

In cooperative project-related works from research andpractice, it has been shown that laboratory tests can be ofassistance in the planning of shield tunnel drives regard-ing the conditioning, see [6] [11] [29]. There are several ap-proaches for the determination of the quality of foams forsoil conditioning and of conditioned soils (e.g. [11]), butthere are no standardised laboratory tests. Research pro-jects have been completed recently or are underway, forexample in Bochum [8] [19], Lyon [25], Oxford and Cam-bridge [7] [22], Delft [4], Turin [5] [33] and Aachen [32], in-to soil conditioning of coarse-grained soils for EPB tun-nelling. Although the emphases of these research projectsvary, some similar test series have been carried out butthere is still not any uniform definition of essential prop-erties and test methods (testing equipment and implemen-tation).

In [30], tests intended explicitly for foam (Fig. 7) andsoil-foam mixes (Fig. 8) are described, which can some-times be performed on site as a tunnel advances. Based onthese laboratory tests, the procedure for tests on a specificproject can be carried out as described in [24]. This is de-scribed below through the example of simple foam condi-tioning. First, the initial parameters for foam productionlike the concentration cf, the foam expansion ratio FER,the foam volume flow QF are estimated, taking into ac-count further production parameters like the pumping

3.2 Konditionierung

Als Konditionierungsmittel in Sanden und kiesigen San-den werden zumeist Tensidschäume eingesetzt. In Abhän-gigkeit der Konzentration der Tensidlösung cf und demMischungsverhältnis von Luft und Liquid, das über denParameter der FER (Foam Expansion Ratio; engl. für Auf-schäumrate) bemessen wird, können Schäume unter-schiedlicher Stabilität und Trockenheit produziert wer-den. Definitionen der Herstellungsparameter und Einflüs-se auf Schaumproduktion und -qualität finden sich z. B. in[27].

Durch das Einbringen von Schäumen beim Abbau-prozess in den Boden kann sowohl eine verbesserte Kom-pressibilität, als auch eine verdrängende Wirkung in derOrtsbrust gegen anstehendes Grundwasser erzeugt wer-den. Des Weiteren erlangt der Boden durch die Zugabevon Schaum eine Fließfähigkeit und weist bei richtigerDosierung ein plastisches Fließverhalten ähnlich einem(wasserkonditionierten) kohäsiven Boden auf. Zur Auf-rechterhaltung einer ausreichenden Stabilität des Gemi-sches sind lange Dränagezeiten anzustreben, damit derZersetzungsprozess des Schaums im Stützmaterial mög-lichst langsam vonstatten läuft. Eine Luftblasenbildung inder Firste sorgt für eine ungleichmäßige und ggf. unzu -reichende Druckübertragung an die Ortsbrust und stelltzusätzlich eine Gefahr für die Ausbläsersicherheit dar [16].

Fig. 7. Lab tests for the investigation of the foam quality according to [30]: foaming behaviour, drainage behaviour, com-pressibility and bubble sizeBild 7. Laborversuche zur Bestimmung der Schaumqualität nach [30]: Aufschäumverhalten, Drainagestabilität, Kompres-sionsverhalten und Bläschengröße

Fig. 8. Lab tests for the investigation of the conditioning behaviour of soils according to [30]: workability, compressibility,hydraulic conductivity, shear strength and densityBild 8. Laborversuche zur Untersuchung der Konditionierbarkeit von Böden nach [30]: Verarbeitbarkeit, Kompressions -verhalten, Wasserdurchlässigkeit, Scherfestigkeit und Dichte



pressures, conveying distance and foam gun type. Thefoam produced is then tested for its expansion behaviourunder the selected parameters. If the actual FER, whichcan be determined by measuring the density, exceeds thepreviously determined tolerance deviations from the in-tended value, the production parameters will have to becorrespondingly corrected, see [30]. The foam is then test-ed for stability. Small bubbles are an indicator of good stability, since the lamellas between the bubbles are very small and the liquid phase of the foam can only drainwith difficulty. A high drainage time is therefore advanta-geous.

For the conditioning of the corresponding soil – grad-ing distribution and water content are assumed to beknown – suitable injection rates then have to be deter-mined, which agree with the guideline values for workabil-ity (slump between 10 and 20 cm) and hydraulic conduc-tivity (k < 10–5 m/s) and will thus show sufficient stabilityagainst sedimentation. This iterative process is repeateduntil the requirements are fulfilled. The process can beperformed analogously for the use of several or differentconditioning agents.

Particular attention should be paid to the differenttunnelling situations in highly permeable soils. Duringshort interruptions, for example for ring building, ade-quate sealing of the face has to be maintained, which mayrequire the use of further conditioning agents. Duringlonger stoppages and above all for compressed air inter-ventions, it is not possible to seal the face just by injectingfoam, in which case it will also be necessary to use ben-tonite suspension. The results of laboratory tests can how-ever only be used as index values for practical applicationssince production and the use of conditioning agents areonly tested under atmospheric conditions. Nonetheless,tests do offer a good way of reaching a basic understand-ing of the processes and feasibility of conditioning

4 Tunnelling in rock4.1 Challenges

In sections of mixed-face conditions, i.e. in the transitionzone between rock and soil, the question of face support isespecially important. On the one hand, the various stratapose various requirements for the required support pres-sure, see [37], and on the other hand the support mediumis continuously mixed from the various soil and rock typesand can thus significantly alter the properties of the mate-rial in the excavation chamber. Immediate reactionthrough soil conditioning to such constant change is verydifficult to achieve because the lengths of such transitionzones and the mixing ratios are normally unknown. Thedegree of crushing and the breaking behaviour of the solidrock during excavation and transport are also unknown,see [26].

4.2 Conditioning

The degree of crushing is of decisive importance for theconditioning of sedimentary rocks or mixtures of rockchips and soil. Depending on the nature of the rock en-countered, the tools fitted to the cutting wheel and thethrust force or penetration, different quantities of rock

Die Zugabe von Schaum erfolgt durch Injektions-punkte am Schneidrad, an der Druckwand und im Schne-ckenförderer. Das Zugabevolumen kann in Abhängigkeitvon Vortriebsgeschwindigkeit und Abbaudurchmesserüber den Konditionierungsparameter FIR (Foam InjectionRatio) gesteuert werden. Üblicherweise wird für jeden In-jektionspunkt eine eigene Schaumlanze verwendet, dochwerden die Schaumvolumenströme meistens nicht für je-de Schaumlanze gezielt definiert, sondern eher für die dreiKonditionierungsbereiche Schneidrad, Abbaukammer,Schneckenförderer. Es ist dabei zu beachten, dass sich dieFIR auf den Gesamtschaumbedarf bezieht, wie aus folgen-der Gleichung ersichtlich:

Darin sind QF der Gesamtschaumvolumenstrom [m³/s],vAdv die Vortriebsgeschwindigkeit [m/s] und AExc diekreisförmige Abbaufläche [m²].

Sollten sich die maßgebenden Eigenschaften desStützmediums (Fließfähigkeit, Durchlässigkeit, Kompres-sibilität und Stabilität) allein durch die Schaumzugabenicht ausreichend einstellen lassen, ist ggf. eine erweiterteKonditionierung mit Polymeren oder Feinstoffsuspensio-nen notwendig. Der Einsatz von Feinstoffsuspensionen er-höht künstlich den Feinanteil des abgebauten Bodens undverschiebt somit theoretisch den Einsatzbereich des Erd-druckschilds im Einsatzdiagramm weiter in den feinkörni-gen Bereich. Die Zugabe von Suspensionen erfordert je-doch eine separate Injektionsvorrichtung auf der Maschi-ne und bedarf zusätzlicher Qualitätssicherung und ist miterhöhten Kosten und weiterem logistischen Aufwand ver-bunden. Auch das Deponievolumen vermehrt sich durchden Mehreintrag an Material, sodass der Feinstoffeinsatzmöglicherweise doppelt mit Kosten belegt ist. Solche Si-tuationen können mit ein ausschlaggebender Faktor fürden wirtschaftlichen Einsatz eines Erddruckschildes ingrobkörnigen Böden sein. Daher gilt es, im Vorfeld dieMachbarkeit und die Grenzen des Einsatzes zu ermitteln.

Der Einsatz von Polymeren ist produktabhängig undwird dem Schaum oder separat als Suspension direkt indie Abbaukammer zuzugeben [17]. Besonders die soge-nannten Superabsorber unter den Polymeren könnendurch ihr großes Wasserbindevermögen bereits in verhält-nismäßig kleinen Mengen die Stabilität des Stützmediumsbeeinflussen.

Welche Konditionierungsmittel auch immer einge-setzt werden sollen, eine genaue Bestimmung der Kondi-tionierungsparameter aus der Kornverteilungskurve kannnicht erfolgen. Erfahrungswerte mit ähnlichen Baugrün-den können helfen, vgl. [11] [15], jedoch können schon ge-ringe Abweichungen in Lagerungsdichte, Mineralogie,Wassergehalt und Feinkornanteil zu großen Unterschie-den in den Anforderungen an die Bodenkonditionierungführen. Daher sollten Anhaltswerte wie für die Höhe derFIR in Laborversuchen ermittelt werden, vgl. [20] [29].

3.3 Empfehlungen für Laborversuche

In kooperativen projektbezogenen Arbeiten von For-schung und Praxis hat sich gezeigt, dass Laborversuche ei-

FIRQ

v · A·100 [%]F

Adv Exc( )=



chips and fines are cut from the face [12]. The excavatedmaterial can be described in a grading distribution curve,which enables assignment to an area of application of thetunnelling machine according to the recommendations inSection 1.2. According to [21], the fraction smaller than 1mm is decisive for the conditioning behaviour. Since real-istic simulation of the excavation process is not possible inthe laboratory, the process of crushing the rock, with dif-ferent levels of energy input and possibly different types ofloading on the rock, has a major effect on the resultinggrading distribution. For example, the same rock crushedmanually (hammer) or mechanically (jaw breakers, rollercrusher) can result in different distribution curves. Con-sidering these conditions, laboratory tests can otherwisebe performed for cohesive and non-cohesive soils accord-ing to the recommendations stated above and deliver in-formation about the feasibility of conditioning, see [21][36]. The dispersion behaviour of variable solid rock in theexcavation chamber also has to be considered since thiscan lead to changed conditioning behaviour and cloggingrisk [14].

5 Summary and outlook

Soil conditioning in EPB tunnelling has a decisive effecton the properties of the support medium. Both the addi-tion of water and of conditioning agents like foam or fineschange the flow capability, hydraulic conductivity, stabilityand compressibility, depending on the type ground. Ade-quate soil treatment is possible both in overconsolidatedclays and in highly permeable soils with and without solidrock content. Useful information for the conditioning ofthe ground can be gained from laboratory tests or tests onsite as the tunnel advances. Tunnelling in overconsolidat-ed clays demands intensive evaluation of the influentialparameters to ensure adequate material flow without risk-ing clogging.

In order to be able to obtain more realistic estimatesof the feasibility of conditioning and the conditioning pa-rameters, (uniform) test procedures for the testing of con-ditioned soils under support pressure conditions shouldbe developed. The results of laboratory tests can also con-tribute to the development of material models and consti-tutive laws for scientific research into face stability (e.g.the rheological characterisation of the support medium).In this way, realistic pressure distributions for supportpressure calculations could be investigated or the flow be-haviour of the material in the excavation chamber couldbe simulated.

References

[1] Abe, T., Sugimoto, Y., Ishihara, K.: Development and appli-cation of environmentally acceptable new soft ground tun-nelling method. In: Tunneling under difficult conditions –Proceedings of the International Tunnel Symposium. pp.315–320. Pergamon Press, 1978.

[2] Anagnostou, G., Kovári, K.: Face Stability Conditions withEarth-Pressure-Balanced Shields. Tunnelling and Under-ground Space Technology 11 (1996), pp. 165–173.

[3] Babendererde, S., Hoek, E., Marinos, P., Cardoso, A.S.: EPB-TBM 2005 – Face support control in the Metro do Porto pro-ject, Portugal. RETC. Seattle, 2005.

ne gute Hilfestellung bei der Planung von Schildvortriebenhinsichtlich der Konditionierung sein können, vgl. [6] [11][29]. Zur Bestimmung der Qualität von Schäumen für dieBodenkonditionierung und von konditionierten Bödenexistieren einige Ansätze (z. B. [11]), jedoch keine standar-disierten Laborversuche. So wurden in der jüngeren Ver-gangenheit und werden aktuell z. B. in Bochum [8] [19],Lyon [25], Oxford und Cambridge [7] [22], Delft [4], Turin[5] [33] und Aachen [32] Forschungsprojekte zur Boden-konditionierung von grobkörnigen Böden bei Erddruck-schildvortrieben bearbeitet. Auch wenn sich die Schwer-punkte in den Forschungsarbeiten unterscheiden, wurdenteilweise ähnliche Versuchsserien durchgeführt. Eine ein-heitliche Definition wesentlicher Eigenschaften und Ver-suchsmethoden (Versuchsaufbau und -durchführung) er-folgte aber nicht.

In [30] werden Versuche explizit für Schäume (Bild 7)und Boden-Schaum-Gemische (Bild 8) vorgestellt, die zumTeil auch vortriebsbegleitend auf der Baustelle durchge-führt werden können. Basierend auf diesen Laborversu-chen kann das Vorgehen bei projektbezogenen Konditio-nierungsversuchen angelehnt an [24] durchgeführt wer-den. Nachfolgend wird dieses exemplarisch für die reineSchaumkonditionierung dargestellt. Zunächst werden ers-te Parameter zur Schaumproduktion wie die Konzentra -tion cf, die Aufschäumrate FER, der Schaumvolumen-strom QF unter Berücksichtigung weiterer Produktions -parameter wie Förderdrücke, Förderlänge und Schaum-lanzentyp abgeschätzt. Der produzierte Schaum wirddann zunächst auf sein Aufschäumverhalten unter den ge-wählten Parametern untersucht. Überschreitet die tatsäch-liche FER, die sich über Dichtemessungen ermitteln lässt,die zuvor festgelegten Toleranzabweichungen vom Soll-Wert, müssen die Herstellungswerte entsprechend korri-giert werden, vgl. [30]. Der Schaum wird dann hinsichtlichseiner Stabilität untersucht. Dabei sind kleine Bläschenein Indikator für eine hohe Stabilität, da die Lamellen zwi-schen den Blasen sehr klein sind und die flüssige Phasedes Schaums nur schwerlich ausdränieren kann. Dement-sprechend ist eine hohe Dränagezeit erstrebenswert.

Zur Konditionierung eines entsprechenden Bodens –Kornverteilung und Wassergehalt werden als bekannt vo-rausgesetzt – müssen dann geeignete Injektionsraten be-stimmt werden, die mit den Richtwerten der Verarbeitbar-keit (Setzmaß zwischen 10 und 20 cm) und der Wasser-durchlässigkeit (k < 10–5 m/s) Konform gehen und dabeieine ausreichende Sedimentationsstabilität aufweisen.Dieser iterative Prozess wird so lange wiederholt, bis dieAnforderungen erfüllt sind. Beim Einsatz mehrerer oderanderer Konditionierungsmittel kann weitestgehend ana-log verfahren werden.

Besonderes Augenmerk sollte bei stark durchlässigenBöden noch auf die unterschiedlichen Vortriebssituatio-nen gelegt werden. Bei kurzen Stillstandszeiten, z. B. wäh-rend des Ringbaus, muss eine ausreichende Ortsbrust -versiegelung aufrechterhalten werden können. Gegebe-nenfalls kann dann eine Verwendung von weiteren Kondi-tionierungsmitteln erforderlich werden. Bei längerenStillständen und vor allem bei Drucklufteinstiegen ist eineOrtbrustversiegelung allein durch Schaumvorinjektionnicht möglich, sondern hier ist die zusätzliche Verwen-dung einer Bentonitsuspension erforderlich.



[4] Bezuijen, A., Schaminée, P.E.L.: Simulation of the EPB-shield TBM in model test with foam as additive. In: Proceed-ings of IS-Kyoto 2001 conference on Modern Tunneling Sci-ence and Technology, 2001, pp. 935–940.

[5] Borio, L.: Soil conditioning for cohesionless soils. Ph.D. the-sis, Politecnico di Turino, 2010.

[6] Borio, L., Peila, D., Oggeri, C., Pelizza, S.: Effects of Foamon Soil Conditioned Behaviour. In: Safe Tunneling For Thecity and for The Environment, 35th World Tunnel Congress2009 – Safe tunneling for the city and for the Environment.Budapest, 2009.

[7] Borghi, X.: Lubrication and soil conditioning in pipejackingand tunnelling. PhD Thesis, Cambridge University, 2006.

[8] Budach, C.: Untersuchungen zum erweiterten Einsatz vonErddruckschilden in grobkörnigem Lockergestein. Disserta -tion Ruhr-Universität Bochum, 2012.

[9] Budach, C., Thewes, M.: Erweiterte Einsatzbereiche vonEPB-Schilden. geotechnik 36 (2013) No. 2, pp. 96–103.

[10] DIN EN 12350-2: Prüfung von Frischbeton, Teil 2: Setz-maß. Berlin: Beuth Verlag, 2009.

[11] EFNARC: Specification and Guidelines for the use of spe-cialist products for Soft Ground Tunnelling. Farnham, 2001.

[12] Farrokh, E., Rostami, J.: Correlation of tunnel convergencewith TBM operational parameters and chip size in theGhomroud tunnel, Iran. Tunnel and Underground SpaceTechnology 23 (2008), pp. 700–710.

[13] Feinendegen, M., Ziegler, M., Weh, M., Spagnoli, G.: Clog-ging during EPB Tunnelling: Occurrence, classification andnew manipulation methods. In: ITA-AITES World TunnelCongress 2011, pp. 767–776. Helsinki, 2011.

[14] Hollmann, F., Thewes, M.: Assessment method for clayclogging and disintegration of fines in mechanised tunnelling.Tunnel and Underground Space Technology 37 (2013),pp.96–106.

[15] Kusakabe, O., Nomoto, T., Imamura, S.: Geotechnical cri-teria for selecting mechanised tunnel system and DMM fortunnelling. In: Proceedings of 14th Int. Conf. on Soil Me-chanics and Foundation Engineering. Vol. 4, pp. 2439–2440.Hamburg, 1997.

[16] Langmaack, L.: EPB-Vortrieb in inhomogenen Böden:Möglichkeiten neuer Konditionierungsmittel. Tunnel- undTiefbautagung 2004, Györ, pp. 121ff.

[17] Langmaack, L.: Konditionierung des Ausbruchsmaterialszur Stützung der Ortsbrust. geotechnik 29 (2006), pp.199–205.

[18] Maidl, B., Herrenknecht, M., Maidl, U., Wehrmeyer, G.:Mechanised Shield Tunneling. Berlin: Ernst & Sohn, 2006.

[19] Maidl, U.: Erweiterung der Einsatzbereiche der Erd-druckschilde durch Bodenkonditionierung mit Schaum.Ph.D. thesis, Ruhr-Universität Bochum, 1995.

[20] Peila, D., Oggeri, C., Borio, L.: Using the slump test to as-sess the behaviour of conditioned soils for EPB Tunneling.Environmental & Engineering Geoscience 15 (2009), No. 3,pp. 167–174.

[21] Peila, D., Picchio, A., Chieregato, A.: Earth pressure bal-ance tunnelling in rock masses: Laboratory feasibility studyof the conditioning process. Tunnel and Underground SpaceTechnology 35 (2013), pp. 55–66.

[22] Pena, M.: Foam as a Soil Conditioner in Tunnelling: Phys-ical and Mechanical Properties of Conditioned Sands. Ph.D.Thesis, University of Oxford, 2007.

[23] Prinz, H., Strauß, R.: Abriss der Ingenieurgeologie. Heidel-berg: Spektrum, 2006.

[24] Quebaud, S., Morel, E.: Verwendung von Schäumen imMikrotunnelbau. In: Conference Documentation Interna-tional No-Dig, pp. 375–398. Dresden 1995.

Die Ergebnisse aus Laborversuchen können aberauch nur als Indexwerte für den Praxiseinsatz genutzt wer-den, da Herstellung und Einsatz der Konditionierungsmit-tel unter atmosphärischen Bedingungen untersucht wer-den. Die Versuche bieten aber trotzdem eine gute Mög-lichkeit für ein grundsätzliches Verständnis der Vorgängeund Machbarkeiten während der Konditionierung.

4 Vortrieb in Festgestein4.1 Herausforderungen

In Bereichen gemischter Ortsbrust, d. h. in den Über-gangszonen zwischen Fest- und Lockergestein, ist die Fra-ge der Ortsbruststützung von besonderer Bedeutung. Ei-nerseits stellen die verschiedenen Schichten unterschied -liche Anforderungen an den erforderlichen Stützdruck,vgl. [37], andererseits wird das Stützmedium kontinuier-lich aus den unterschiedlichen Boden- und Gesteinsartenzusammengemischt und kann dadurch die Eigenschaftendes Materials in der Abbaukammer signifikant verändern.Eine unmittelbare Reaktion in der Bodenkonditionierungauf diese stetige Veränderung ist sehr schwer vorzuneh-men, da die Längen solcher Übergangszonen und die Mi-schungsverhältnisse meist nicht genau bekannt sind. DesWeiteren sind Zerkleinerungsgrad und Lösungsverhaltendes Festgesteins beim Abbau- und Transportvorgang nichtbekannt, vgl. [26].

4.2 Konditionierung

Von entscheidender Bedeutung der Konditionierung vonSedimentfestgestein bzw. Gemischen von Gesteinschipsund Boden ist der Zerkleinerungsgrad. In Abhängigkeitdes anstehenden Gesteins, des Schneidradbesatzes undder Anpresskraft bzw. Penetration werden unterschied -liche Anteile an Gesteinschips und Feinkorn aus der Orts-brust gelöst [12]. Das gelöste Material kann in einer Korn-verteilungslinie wiedergespiegelt werden. Hiernach kannwieder eine Einordnung des Einsatzbereichs der Vor-triebsmaschine entsprechend der Empfehlungen in Kapi-tel 1.2 erfolgen, wobei nach [21] die Kornfraktionen klei-ner 1 mm maßgebend für das Konditionierungsverhaltensind. Da eine realitätsnahe Simulation des Lösevorgangsin Laborversuchen nicht möglich ist, wirkt sich das Ver-fahren zur Zerkleinerung von Festgestein durch unter-schiedlichen Energieeintrag und ggf. andere Beanspru-chungsarten des Gesteins stark auf die sich ergebendeKornverteilungskurve aus. So können sich für das gleicheGestein zum Beispiel durch manuelle (Hammer) unddurch maschinelle Zerkleinerung (Backenbrecher, Wal-zenbrecher) verschiedene Kornverteilungskurven ergeben.Unter Berücksichtigung dieser Randbedingungen könnenansonsten Laborversuche entsprechend den vorgenann-ten Empfehlungen für bindige und nichtbindige Bödendurchgeführt werden und einen Hinweis auf die Konditio-nierbarkeit liefern, vgl. [21] [36]. Auch das Auflösungsver-halten von veränderlichen Festgesteinen in der Abbau-kammer muss berücksichtigt werden, da sich dadurch dasKonditionierungsverhalten und das Verklebungsrisiko ver-ändern können [14].



[25] Quebaud, S., Sibai, M., Henry, J. P.: Use of chemical foamfor improvements in drilling by earth-pressure balance shieldsin granular soils. Tunnelling and Underground Space Tech-nology 13 (1998), pp. 173–180.

[26] Thewes, M.: Schildvortrieb mit Flüssigkeits- oder Erd-druckstützung in Bereichen mit gemischter Ortsbrust ausFels und Lockergestein. geotechnik 27 (2004), No. 2, pp.214–219.

[27] Thewes, M., Budach, C.: Soil conditioning with foam dur-ing EPB tunnelling/Konditionierung von Lockergesteinen beiErddruckschilden. Geomechanics and Tunnelling 3 (2010),No. 3, pp. 256–267.

[28] Thewes, M., Budach, C.: Schildvortrieb mit Erd-druckschilden: Möglichkeit und Grenzen der Kondition-ierung des Stützmediums. In: Tagungsband 7. KolloquiumBauen in Boden und Fels, pp. 171–183. Technische AkademieEsslingen 2010.

[29] Thewes, M., Budach, C., Galli, M.: Laboruntersuchungenvon verschiedenen konditionierten Lockergesteinsböden fürTunnelvortriebe mit Erddruckschildmaschinen. Tunnel6/2010, pp. 21–30.

[30] Thewes, M., Budach, C., Galli, M.: Vortrieb mit Erd-druckschilden: Empfehlungen für Laboruntersuchungen zurBestimmung wesentlicher Eigenschaften von Kondition-ierungsmitteln und konditionierten Lockergesteinen. In:Tagungshandbuch 8. Kolloquium Bauen in Boden und Fels,pp. 111–125. TA Esslingen, 2012.

[31] Thuro, K., Käsling, H.: Classification of the abrasiveness ofsoil and rock/Klassifikation der Abrasivität von Boden undFels. In: Geomechanics and Tunnelling 2 (2009), No. 2, pp.179–188.

[32] Vennekötter, J.: Separationsfreier Mikrotunnelbau durchPumpförderung schaumkonditionierter Böden. DissertationRWTH Aachen, 2012.

[33] Vinai, R.: A contribution to the study of soil conditioningtechniques for EPB TBM applications in cohesionless soils.Ph.D. thesis, Politecnico di Turino, 2006.

[34] Vinai, R., Oggeri, C., Peila, D.: Soil conditioning of sandfor EPB applications: A laboratory research. Tunnelling andUnderground Space Technology 23 (2008), No. 3, pp.308–318.

[35] Weh, M, Zwick, O., Ziegler, M.: Maschinenvortrieb inverklebungsanfälligem Baugrund, Teil 1+2. Tunnel 1/2009, S.24–36, 2/2009, pp. 18–28.

[36] Wittke-Schmitt, B., Schmitt, D.: Untersuchung zur Ver-breibarkeit von Fels. geotechnik 33 (2010), pp. 169–174.

[37] Zizka, Z., Schößer, B., Thewes, M.: Face Stability Assess-ment of Large-diameter Slurry Shields. In: Proceedings of Eu-ro:Tun 2013, 3rd International Conference on ComputationalMethods in Tunneling and Subsurface Engineering, pp.663–674. Ruhr-Universität Bochum 2013.

5 Zusammenfassung und Ausblick

Die Konditionierung beim Vortrieb mit Erddruckschildenhat einen maßgeblichen Effekt auf die Eigenschaften desStützmediums. Sowohl der Einsatz von Wasser als auchvon Konditionierungsmitteln wie Schaum oder Feinstof-fen verändern in Abhängigkeit des Baugrunds Fließfähig-keit, Durchlässigkeit, Stabilität und Kompressibilität. Eineadäquate Bodenaufbereitung ist sowohl in überkonsoli-dierten Tonen wie auch in stark durchlässigen Böden mitund ohne Festgesteinsbestandteilen möglich. WesentlicheHinweise zur Konditionierung des Baugrunds können inLabor- oder vortriebsbegleitenden Versuchen gewonnenwerden. Dabei erfordert der Vortrieb in überkonsolidier-ten Tonen eine intensive Bewertung der Einflussparame-ter hinsichtlich eines ausreichenden Materialflusses, ohneVerklebungen zu begünstigen.

Um realistischere Einschätzungen der Konditionier-barkeit und der Konditionierungsparameter vornehmen zukönnen, sind (einheitliche) Testmethoden zur Untersu-chung des konditionierten Bodens unter Stützdruckbedin-gungen zu entwickeln. Die Erkenntnisse aus Laborunter-suchungen können ferner zur Entwicklung von Material-modellen und Stoffgesetzen für die wissenschaftliche Forschung zur Ortsbruststabilität (z. B. rheologische Cha-rakterisierung des Stützmediums) beitragen. Damit könn-ten wirklichkeitsnahe Druckverteilungen für die Stütz-druckberechnungen untersucht oder das Fließverhaltendes Materials in der Abbaukammer abgebildet werden.

Prof. Dr.-Ing. Markus ThewesInstitute for Tunnelling and Construction ManagementRuhr University BochumUniversitätsstraße 150, IC 6-12744801 [email protected]

Dipl.-Ing. Mario GalliInstitute for Tunnelling and Construction ManagementRuhr University BochumUniversitätsstraße 150, IC 6-12744801 [email protected]


The contract C310 comprises the construction of the Plumsteadand North Woolwich Portals and the twin tube Thames Tunnel,which has a length of approximately 2.6 km between the two portals. The two TBMs used for the construction of the ThamesTunnel will drive through varying ground conditions (ThanetSand, River Terrace Deposit (gravel), and chalk) below the watertable. During the drive under the River Thames, the tunnels willonly have an overburden of approximately 12 m. The effect ofpressure variation due to the tidal River Thames has to be ac-counted for in the control of the tunnelling. The tunnel will passunderneath several grade II listed buildings, utilities, adjacent tooperational railway tracks and close to existing subway tunnels.Previous experience of the handling and disposal of excavatedchalk has been gained on several tunnelling projects in chalk,most notably the Dartford Road Tunnels, the Channel Tunnel, theBrighton Stormwater Tunnel, the Lille Metro Tunnel, the SocatopRoad Tunnel near Paris and Channel Tunnel Rail Link CTRL 320.The Contract allowed for both Mixshield and EPB TBM Technolo-gy. The advantages and disadvantages of a TBM-S with EarthPressure Balanced face support (EPB-TBM) and a TBM-S withSlurry Face support (Mix-Shield TBM) for the C310 Thames Tun-nels were discussed after contract award and a comparative riskassessment was developed. A Mixshield TBM is more expensivebut outperformed the EPB TBM in the overall scoring of risk as-sessment and therefore it has been decided to use this type atC310.

1 C310 Thames Tunnel project overview1.1 Project Crossrail

Crossrail, the biggest infrastructure project in Europe, is anew major cross-London rail link project, which has beendeveloped to link east to west by crossing the heart of London and its important business locations. It will bring1.5 million people within 45 minutes commuting distanceof London’s key business districts. The project includesthe construction of a twin-bore tunnel on a west-east align-ment under Central London and the upgrading of existingNational Rail lines to the east and west of Central Lon-don. The new rail line (Fig. 1) starting in Shenfield/AbbeyWood in the east of London and ending in Maidenhead/Heathrow Airport in the west of London includes the con-struction of eight central area underground stations,which will provide interchanges with London Under-ground, National Rail and London Bus services, as well asthe upgrading or renewal of existing stations outside cen-

tral London. The estimated construction cost volume isapproximately € 18 bn overall. Altogether there will be118 km of new rail track, including 42 km of tunnels and37 train stations.

1.2 Contract C310 Thames Tunnel (Bored tunnel drive H)

Hochtief Murphy Joint Venture (HMJV) is responsible forthe construction of two tunnels underneath the RiverThames, under the contract name C310 Thames Tunnel.The contract C310 comprises the construction of both thePlumstead and North Woolwich Portals, as well as thetwin tube Thames Tunnel which has a length of approxi-mately 2.6 km between the two portals. Contract com-mencement date was in early March 2011; in November2011 the construction of the tunnel portal at Plumsteadcommenced. The main tunnelling works started in Janu-ary 2013 and the anticipated completion of the tunnellingwork including cross passages and pump sumps is Sep-tember 2014. Completion of the whole works is expectedmid June 2015. C310 is a challenging project, both techni-cally and operationally, due to its location and difficult ge-otechnical conditions. The two TBMs will drive throughvarying ground conditions (Thanet Sand, River TerraceDeposit (gravel), and chalk) below the water table (Fig. 2).During the drive under the River Thames, the tunnels willonly have an overburden of approximately 12 m. The ef-fect of pressure variation due to the tidal River Thameshas to be accounted for in the control of the tunnelling.Additionally, the drive under the River Thames is charac-terized by fissured and weathered chalk and layers of dis-continued sediment discharge. The tunnel will pass under-neath several grade II listed buildings, utilities, adjacent tooperational railway tracks and close to existing subwaytunnels.

2 Geotechnical and hydrogeological conditions2.1 Geotechnical conditions

The encountered River Terrace Deposits (gravel) are typi-cally described as: medium dense to very dense, grey (or-ange or green) brown or dark grey, slightly silty, slightlyclayey, fine to coarse sand and fine to coarse subangular torounded flint gravel. The sand and gravel proportions varyfrom very gravelly sand to sandy gravel. Quartzite and flintcobble are found occasionally.

Topics

TBM and spoil treatment selection process – case history Crossrail C310 Thames Tunnel Slurry TBM versus EPB TBM

DOI: 10.1002/geot.201400001Rainer RengshausenRiku TauriainenAndreas Raedle


R. Rengshausen/R. Tauriainen/A. Raedle · TBM and spoil treatment selection process – case history Crossrail C310 Thames Tunnel

The Thanet Sand is predominately a sequence of fine-grained sand beds, with higher proportions of clay andsilts in the lower part. The unweathered formation is greyto brownish grey, and at the surface it weathers to a paleyellowish grey. The basal Bullhead Bed is a conglomeratecomprised of rounded coarse flint gravels and nodularflints in a matrix of dark greenish grey, clayey fine tocoarse grained sand. It is described as dense to very dense.

Approx. 80 % of the C310 tunnel cross section is lo-cated in chalk. Chalk is generally considered to be asoft/weak rock, a very pure white limestone formed fromthe skeletal remains of sub-microscopic algae. However,unlike many limestones, chalk is very widespread as a con-sequence of its entirely planktonic origin. Two featurescommonly found in chalk are flints and marl seams. Flint

is a microcrystalline silica rock that occurs as dispersed,usually black nodules or as tabular bands or sheets. Flintsrepresent very strong, brittle inclusions in contrast to thecomparatively weak host chalk matrix. Marl seams arehorizons with increased concentrations of clay.

Two different chalk layers are encountered by theC310 tunnel, the chalk of the Haven Brow Beds and theCuckmere Beds. The chalk at the top of the layer is veryweak, highly weathered and described as low densitywhite chalk improving in both strength and density withdepth. Generally the chalk is described as medium densitychalk. The geotechnical and geological grading of thechalk has a range from A to Dc. Chalk Engineering Gradeof A1 is considered to be the highest rock mass quality,with Dm considered to be the worst rock mass quality.

Fig. 1. Crossrail project overview and route

Fig. 2. Geotechnical longitudinal section



CIRIA publication 574 [1] introduces a general procedurefor chalk grading depending on the density, discontinuityaperture and discontinuity spacing.

2.2 Groundwater conditions

There are two aquifers within the London area. The maindeep aquifer is located in the Chalk Group whereas theRiver Terrace Deposits contain the second, shallowaquifer.

In the eastern part of London, these two aquifers arein hydrostatic contact, as at C310 Thames Tunnel. A re-sponse to the tidal motion of the River Thames was ob-served, dependent on the distance to the river. A minimumand a maximum water level were derived from the geo -technical investigations. The maximum is set at 104.5 mATD whereas the minimum is set at 96.5 m ATD (abovetunnel datum). A variation of ± 4 m to the average ground-water level of 100.5 m ATD can be found in close proximi-ty to the River Thames (Fig. 3). This is due to the ± 3.5 mtidal influence. The rest of the tunnel alignment has a pre-set variation of ± 1 m. In addition to the values given byCrossrail [4], further investigations were undertaken. Thelong-term measurements were reviewed and continuousreading of piezometer measurements was carried out overa time period of four weeks. From this information, thethree design water levels were defined (see Fig. 3). Thesedesign levels indicate the pore water pressure in the pre-sent aquifer. The support pressure calculations were car-ried out using these three design levels.

3 TBM tunnelling underneath sensitive structures and buildings and within tidal influence

3.1 TBM launching in close proximity to operational NKLwith low overburden

Directly after cutting through the diaphragm walls atPlumstead Portal, the TBMs excavate in the Network Railzone of influence for a duration of approx. 36 calendardays each close/adjacent to the operational North KentLine and underneath the White Hard Road Bridge andCathedral Substation (Fig. 4). The tunnel cross-sectionhere is located in mixed-face conditions (gravel, Thanet

Fig. 3. Groundwater diagram

Fig. 4. Tunnelling in proximity of Network Rail Assets



Sand and chalk) with shallow overburden of approx. 7 to10 m for the first 150 m of tunnelling.

Real-time monitoring devices were installed consist-ing of ATS and prisms on the railway and hydrostatic lev-elling cells on the bridge and the Cathedral Substation.The HMJV monitoring system, Advanced Tunnel DriveSteering (ATDS), collects any movement and potential set-tlement on a continuous 24/7 basis and shows the data inreal time.

For the commencement of the tunnelling works, a socalled LONO (Letter of no objection) is required fromNetwork Rail otherwise tunnelling is not allowed to start.Settlements are to be minimised and support pressure hasto be controlled in a safe and robust manner to maintainthe confidence of Network Rail and demonstrate assur-ance.

3.2 Tunnelling underneath sensitive structures

Along the alignment, further sensitive structures had to beunderpassed (Southern Outfall Sewer, Royal Mail Build-ing and Middlegate House) and overpassed (DocklandsLight Railway tunnel with approx. 2 m clearance). To pre-vent settlement from tunnelling operations underneaththe Cathedral Substation and Middlegate House, compen-sation grouting was designed and implemented indepen-dent of the TBM type. The White Hart Road Bridge is lo-cated west of the main worksite at Plumstead approxi-mately 40 m from the launch headwall. To mitigate settle-ment caused by tunnelling operations, the foundation ofthe bridge had to be supported, with a micro-pile and soilanchor scheme being the preferred method of underpin-ning to strengthen/support the foundation of the WhiteHart Road Bridge.

3.3 Tunnelling within tidal influence and underneath the River Thames

In this area, the pressure variation due to the effects of thetidal River Thames has to be taken into account for tun-nelling (Fig. 5). Due to the proximity to the sea, theThames water level and therefore the adjacent groundwa-ter level are highly affected by tides. The duration of onetidal cycle is about 12 h, corresponding to two cycles withtwo minimum trough and two maximum peaks per day.Between low tide and high tide, the Thames water level al-ternates in general up to 8 m, causing relevant face pres-sure changes of approx. 0.8 bar. Therefore the supportpressure has to be constantly reviewed and appropriatelyadapted. An additional consideration is the time depen-dence of the damping. The delay measured in the bore-holes adjacent to the river was approximately 0.5 h. Thistime effect will be covered by an increase of the pore waterpressure by 2.5 m for low Thames water levels. The in-crease of 2.5 m creates a confined pore pressure at lowestThames water level. The damped value is used to calculatethe corresponding theoretical support pressure.

Detailed operational tables for the support pressurefor the regular tunnel drive were derived from detailed cal-culations. For each ring position and tunnel metre respec-tively, the corresponding pressures for the three differentwater levels were compiled and interpolated between thecalculation cross-sections.

Based on these tables, an automatic calculation andrespective correlation of the support pressure to the tidalmeasurements (displayed damped water level) takes placewithin the TBM Data Process Management System TPC.Subsequently the theoretical support pressure is dis-played. The damped water level for the calculation of the

Fig. 5. Tunnelling underneath the Thames



theoretical support pressure is capped at a minimum of99 m ATD although the minimum design river water levelis 96.5 m ATD. The reason for this is to maintain a conser-vative assumption. During low Thames water level, wehave to assume that, due to the damping effect, some wa-ter could remain in the ground so the pore pressure wouldbe higher than the actual river level.

4 TBM machine type selection and spoil treatment4.1 Principles EPB and Slurry TBM4.1.1 Principle of TBM with earth pressure balanced (EPB)

face

The support pressure of a TBM with earth pressure bal-anced (EPB) face is provided by the resistance of the exca-vated soil or rock, which is transformed into an earthmud. The latter is remoulded by the excavation tools andthe mixing tools at the temporary face and in the extrac-tion chamber, potentially with the aid of liquid or foamconditioning agents. Tunnelling with earth pressure bal-anced face support is also referred to as EPB mode.

The extraction chamber is closed against the tunnelby a pressure wall. Here, the support pressure ps has tobalance at least the horizontal rock mass pressure ph anda potential water pressure pw. The pressure induced by thethrust cylinders at the pressure wall is transferred to theearth mud and monitored by pressure gauges mounted onthe pressure wall.

The earth mud is conveyed by a screw conveyor. Thesupport pressure ps is controlled by the TBM advancespeed and the revolution speed of the screw conveyor, theaim being to keep the earth pressure constant during tun-nelling. The earth pressure support to the temporary facerequires the transformation of the excavated soil/rockmass into an earth mud, i.e. into a soil with soft to verysoft consistency, high water absorption capability and lowwater permeability [2]. The optimised earth mud shouldbe a cohesive soil with soft to very soft consistency to actas the medium required to support the temporary face.

On the other hand the consistency of the appropriateearth mud should not be too soft or liquid to avoid poten-tial handling problems on the belt conveyor system and al-so to guarantee that the subsequent muck disposal can becarried out without any additional measures (e.g. addingquick lime to increase the consistency of the “liquidmuck” should be avoided absolutely).

4.1.2 Mixshield TBM tunnelling

The TBM finally used on the C310 Thames Tunnel, calleda Mixshield TBM, was specially designed for the expectedground conditions, to minimise settlement and also en-sure continuous face support control, which can be ad-justed in real-time to the appropriate monitored water lev-els and respective water pressures.

A Mixshield TBM can be used as a slurry shield or acompressed air shield machine.

Located at the front of the TBM is the cutterhead andbehind the cutterhead is the pressure chamber, or excava-tion chamber, which is divided by a submerged wall. Theslurry rises behind the submerged wall and a compressedair cushion applies the necessary pressure onto the slurry

to compensate for pressure fluctuations in this part of themachine [3].

The excavated soil is mixed with the slurry and isthen pumped out at the bottom of the excavation chamberfor separation at the slurry treatment plant located outsidethe tunnel. For compressed air support, the pressurechamber is partially or completely filled with compressedair.

4.2 Experience with other tunnels located in chalk

Previous experience of the handling and disposal of exca-vated chalk has been gained on several tunnelling projectsthrough chalk, most notably the Dartford Road Tunnels,the Channel Tunnel, the Brighton Stormwater Tunnel, theLille Metro Tunnel, the Socatop Road Tunnel near Parisand Channel Tunnel Rail Link CTRL 320 A brief descrip-tion of the experience gained and problems met on eachof these projects is summarised below.

4.2.1 Dartford Road Tunnels

These tunnels under the River Thames are large diametertunnels (10.3 to 10.7 m cut diameter) which were excavat-ed through Upper Chalk with flints using tunnel shieldswith compressed air working and ground treatment meth-ods [7]. Spoil disposal for the first tunnel (built in the early1960s) involved transporting the chalk (and the overlyinggravels) from the face on a conveyor to a crushing mill lo-cated behind the shield, and then pumping it to the sur-face where it was discharged into 3 m deep settling la-goons. Limited information is available on the geotechni-cal properties of the chalk spoil but some 105,000 m3 ofchalk spoil was handled in this way and with the exceptionof 5 % of the colloidal material, all the pumped materialeventually proved suitable for re-excavation and incorpo-ration into flood protection works [8].

4.2.2 Channel Tunnel – UK side

On the British side of the Channel Tunnel, chalk marl wasexcavated using open face TBMs (5.4 to 8.7 m cut diame-ter). The excavated material was loaded via a conveyor in-to 14 m3 side tipping wagons and transported to theShakespeare Cliff pit bottom, where the wagons tipped in-to a bunker storage area from which the spoil was con-veyed to the surface and deposited by a radial spreader in-to a lagoon area located behind a newly constructed sea-wall. The total volume of cut rock was 3.6 million m3 witha peak production rate of 10,000 m3 per day. Minor prob-lems with spoil handling were experienced at the start ofthe undersea drive for the first 10 km. These were associ-ated with minor inflows of water encountered during exca-vation, which caused the marl to stick to the wagons. Thischalk marl had much higher clay content than the chalk atthe CTRL Thames Tunnel [9].

4.2.3 Channel Tunnel – French side

On the French side, Upper, Middle and Lower Chalk wereexcavated using Earth Pressure Balance (EPB) machines(5.6 to 8.8 m cut diameter). Spoil excavated through a



screw was transported in muck wagons to the Sangatteshaft. There the material was crushed (to less than 20 mmin size) and mixed with 50 % water in a basculeur (tipper),with the resultant slurry being pumped to Fond Pignonreservoir located at a distance of 2 km. Eight twin-pistonPutzmeister pumps were used, each able to pump 90 m3/hof slurry through the 250 mm diameter pipes. Problemswere experienced during construction in slurrifying thespoil and also with blockages in the pipes, which resultedin significant TBM downtime. The spoil disposal systemcontrolled TBM production rates because it took 45 min-utes to process and pump the spoil as against 30 minutesfor ring building. On completion of filling, the reservoirheld 5.4 million m3 of spoil representing 3.07 million m3

of cut chalk [9].

4.2.4 Brighton Stormwater Tunnel

This tunnel through the Upper Chalk with flints was exca-vated using an EPB machine (6.9 m cut diameter). The ex-cavated material was loaded into muck wagons, whichwere emptied at the pit bottom onto a conveyor and takento the surface to be deposited in holding bunkers. Averageproduction was 100 m3/d. Handling problems were expe-rienced with the chalk due to high moisture content, withchalk sticking to the sides of the muck wagons. Theseproblems were exacerbated by large inflows of water en-tering the tunnel face plus the addition of water needed towash the muck out of the wagons. Both of these factorssignificantly wetted up the spoil between the face and thesurface. Flocculants and Eimco filter presses were used toreduce the moisture content of the spoil somewhat. It wasthen transported by road in sealed tipper trucks to theSheepcote Valley landfill site 2.5 km distant.

4.2.5 Lille Metro Tunnel, Northern France

On Contract 4 of the Lille Metro, Upper Chalk with flintswas excavated by a roadheader. This was part of the con-struction of a 1.24 km long twin track railway tunnel,which was 5.8 m high and 6.5 m wide. The progress ratewas 25 m/week. The excavated chalk was broken downand crushed to 50 mm size or smaller before water wasadded to form a slurry. The resulting thick paste was thenpumped by Putzmeister sludge pumps up to 600 m hori-zontally along the tunnel and 30 m up the shaft into a siloabove ground. The capacity of the system was 30 m3/h.No problems were reported on this contract but on the ad-jacent contract, which utilised a Mixshield slurry TBM,problems were encountered because 70 % of the chalkwent into suspension [10].

4.2.6 Socatop Road Tunnel, Paris, France

Here, Upper Chalk with flints was excavated using an11.6 m diameter Herrenknecht Mixshield slurry/EPB ma-chine. The chalk had an in-situ dry density of 1.56 t/m3,an in situ moisture content of 26 %, and a UCS of2.4 MPa. Excavation of the chalk was carried out inopen/EPB mode and production was 2,000 m3/d. Chalkspoil was transported from the face via a conveyor tobarges before being transported along the River Seine to a

former sand and gravel pit where it was spread in 0.3 to1 m thick layers across the ground using low ground bear-ing pressure bulldozers. Problems were experienced withhandling the chalk, especially during periods of wet weath-er. These problems included breakdowns of the conveyorleading from the TBM face to the barges due to the stickynature of the chalk, and problems at the main disposal sitewhere the chalk was initially too wet (porridge consisten-cy) and could not be trafficked nor easily worked.

4.2.7 Channel Tunnel Rail Link CTRL 320, London – Mixshield TBM

The tunnel spoil totalled some 263,000 m3, of which 80 %was chalk spoil, 18 % gravel with the remaining 2 % com-prising soft alluvial clays and peats. The tunnels were bothbored from the Swanscombe side. The excavated materialwas crushed at the face and pumped through a high pres-sure slurry main back to the surface where it was sent to atreatment plant. The gravels and crushed flints werescreened off and then the remaining slurry passed througha series of hydrocyclones and centrifuges to remove thewater. The chalk residue was then transported by closedconveyor over a distance of 1 km to Craylands Pit, an oldchalk quarry located immediately adjacent to the site. Tofacilitate the early strength gain required to fulfil the re-quirements of the land-raising operation, cement wasadded to the chalk spoil as an integral part of the separa-tion process. The chalk paste was then compacted in lay-ers for future development. Although this constitutes themost environmentally friendly disposal process (and at thesame time increased the structural integrity of the existingshear cliff faces), it did however present a significant logis-tical challenge on the project [5] [6].

Initially the secondary separation plant was equippedwith three centrifuges with a total input slurry capacity of210 m3/h producing 75 m3/h of solids. During the earlystages of the down-line tunnel drive, it became evidentfrom the nature and quantity of the chalk slurry to beprocessed that additional capacity of the secondary sys-tem would be required. A decision was made to install anadditional three centrifuges bringing the slurry capacityup to 470 m3/h with an output of approximately 170 m3/hof solids. With these additional centrifuges on line, TBMproductivity reached over 130 m/week and peaked at18 rings per day i.e. 27 m/d. The separation plant, cen-trifuges and flocculent system were maintained and oper-ated by five operatives.

The successful and sustainable re-use of the chalktunnel spoil from the CTRL Thames Tunnel for engi-neered fill was the result of several years of pre-contractgeotechnical investigations and studies, careful plant de-sign, and extensive trials between contract award and thestart of tunnelling. Although some early difficulties wereexperienced in dealing with the chalk slurry and placingthe material in the Craylands Lane Pit, these were soonovercome through engineering ingenuity aided by co-oper-ative working between all parties. In chalk earthworks, thegeneral plan is to reduce breaking down of the chalklumps, adding water, and working the chalk over the win-ter – however the Thames Tunnel team had to do all threeto produce a satisfactory platform for future development.



Table 1. Comparative risk assessment for TBM selection

Requirements Alternatives2 Slurry TBMs 2 EPB TBMs

1 Safety Safe Safe

Interventions

Tunnelling operations

2 Budget Within budget Under budget

Procurement of the TBM systems More expensive than EPB Cheaper than slurry

Competition between potential suppliers Some competition Several suppliers more competition than on slurry

Cost of tunnelling Higher power consumption (pumping) Conditioning required

Treatment cost and disposal of it More expensive than EPB Cheaper than slurry but MC above 35 %

Cost of interventions Lower Higher and more frequent

3 Programme Good and predictable Average

Daily advance Neutral Neutral

Intervention frequency Less interventions required Frequent interventions required

Wear and tear / CH repairs Low wear and tear High wear and tear

Down time on other equipment If muck treatment works – neutral

4 Settlement minimisation Good and more controllable Average

Control of support pressure Good Less good

Anticipated volume loss Could be less than requirements Could meet requirement but problem in the control zone < 0,5 %

Control of over-excavation Good Less good

Adjustment to tidal changes possible Good Less good

5 Coping with C310 Geology (face support) Good Average

River Terrace Gravel Deposits Good Difficult needs foam/bentonite added

Chalk Good Good, high wear

Thanet Sands Good Satisfactory

6 Logistics and disposal of excavated Good Averagematerial

Tunnel logistics Standard Standard tunnel will be dirty

Shaft logistics Standard Zigzag solution and interface with propping

Treatment of excavated material System required Not based on system, difficult

35 % Moisture content Possible if filter presses work Not possible, only by adding lime, cement etc.

7 Previous experience (references) Good Poor

Tunnelling in similar geology Very good experience, only spoil Poortreatment requires adequate capacity

Tunnelling under the Thames Very good experience Difficulty sealing screw conveyor

8 Interventions Less critical Requires frequent interventions

Intervention frequency Low High

Interventions in different geology Possible, easier and faster Possible, takes longer time

Ease of interventions Easier

9 Risk minimisation Good and more predictable Average and risk of unforeseen events

Risk of cost overrun Low High

Risk of programme overrun Low High

Risk of settlement Low High



4.3 Client’s specification

The contract allowed for both Mixshield and EPB-TBMtechnology. The advantages and disadvantages of a TBM-S with Earth Pressure Balanced face support (EPB-TBM)and a TBM-S with slurry face support (Mixshield TBM)for the C310 Thames Tunnels were discussed after the con-tract award.

4.4 Comparative risk assessment

As described in Chapter 3 for the C310 Project, lack of dis-ruption to the operation of the North Kent Line had to beensured during the TBM launching phase. Furthermorefor tunnelling in areas of low overburden underneath sen-sitive structures, the control of support pressure and sub-sequent minimisation of settlements were decisive factorsfor the final selection of the TBM from the risk manage-ment point of view.

Nevertheless the following main criteria and require-ments for an appropriate selection of the most convenientTBM type were investigated and considered:– Safety,– Within budget/costs,– Programme security,– Settlement minimisation,– Coping with C310 geotechnical conditions,– Logistics,– Treatment of spoil (e.g. disposal of chalk),– Interventions,– Previous experience (e.g. DLR tunnels/CTRL 320),– Risk.

HMJV prepared a comparative risk assessment at the startof the project which considered the above listed criteriaand an appropriate weighting/scoring/comparison of thedifferent criteria regarding the corresponding TBM Type.Table 1 illustrates and outlines the detailed comparison.The Mixshield TBM is more expensive but outperformedthe EPB TBM in overall scoring of risk assessment andtherefore it was decided to use this type at C310 (Fig. 6).

4.5 Spoil treatment in chalk, use of filter presses

The use of a slurry shield TBM a plant makes it necessaryto filter the spoil out of the slurry to recycle it. This task ishandled by the STP. To manage the excavated materialwith a maximum tunnelling advance rate up to 80 mm/min, a slurry flow rate of 1,600 m3/h has to be treated.This material consists of Thanet sands and chalk with var-ious amounts of flint nodules (5 to 25 %). Especially theparticles of the excavated chalk spoil, of which up to100 % are smaller than 40 μm in size, disperse in the slur-ry and so additional treatment is carried out with filterpresses. To suit the agreed spoil management and disposalscheme, the moisture content of spoil produced from thetreatment plant shall not exceed 35 %.

The STP consists of the five following principal com-ponents (Figs. 7 and 8):– Scalping, desanding and desilting sections,– Slurry management,– Primary slurry preparation,

– Water management,– Treatment of excess mud.

A rotating drum with an integrated screen cuts off all ma-terial with a size over 8 mm as a scalping unit. This mater-ial drops directly onto a belt conveyor and is transportedto the dump.

All the slurry and the grains, which pass the openingsin the screen, are split into three equal volumes and eachcollected in a small tank. There are three parallel lines in-cluding a desanding and desilting section. In each line, acentrifugal pump driven by a 132 kW electric motor feedsthe slurry out of the intermediate storage tank to two bigcyclones (650 mm in diameter). The underflow of the cy-clones is sent to a dewatering screen, where the solids areseparated out of the fluids and drop down onto the beltconveyor. The fluids and particles passing the openingsare pumped again through the desanding components.The overflow of the cyclones with a size smaller than70 μm feeds an additional tank for the desilting section,where a similar process starts but with twelve smaller cy-clones (250 mm in diameter) and a cut-off size of 40 μm.The underflows of these cyclones are also sent to the de-watering screen. One part of the overflow is sent back tothe cyclones and the rest falls by gravity to the slurry man-agement section.

The slurry management section includes severaltanks to store the regenerated slurry, the waste mud, themain bentonite, a distribution box and two smaller tanksto complete the cycle in various modes. With many sen-sors, valves and the Programmable Logic Controller(PLC), the plant can run in automatic mode to set the re-quired properties of the slurry for pumping to the excava-tion chamber.

After passing the desanding and desilting sections,the slurry is distributed to be reused in the slurry circuit bysending it to the regenerated slurry tank and the excessslurry is stored in a waste mud (waste slurry) tank. To pre-vent sedimentation of the solids, two agitators are in-stalled in this tank. The last separation step is the treat-ment of the waste mud by carrying out a filtration process

Fig. 6. Mixshield TBM, factory acceptance



in the filter presses. Before the slurry is pumped into thechambers of the filter presses, a defined amount of limemilk is added, for which lime powder has to be mixed andmatured in a preparation unit. Lime milk consists of waterand lime powder and is mixed in a process similar to themain bentonite preparation. Depending on the settings forlime milk concentration and lime dosage, which can set inthe operators cabin, the required amount of milk is calcu-lated using the values of outflow of waste mud tank mea-

sured by a flowmeter and densimeter. The lime milk isadded before a centrifugal pump, which feeds the limedmud into two storage silos before pumping into the filterpresses. The purpose of the lime milk for the filtrationprocess is to accelerate the process itself and also to re-duce the stickiness of the filter cake surface to improve thedischarge of the filter cakes.

The filtration process includes the steps of closing,feeding, inflating (only two filter presses), core blast, open-

Fig. 7. Flowchart and 3D model of slurry treatment plant (STP)



ing and demoulding. There are six filter presses, whereeach allows a treatment of 14.5 t/h of dry mud. Four ofthem are normal chamber filter presses with a maximumclosing pressure up to 250 bar, operated by two hydraulicjacks. Another two are membrane chamber filter presses,which use an additional squeezing/inflating process afterthe normal feeding process. Due to this additionalprocess, the closing pressure of 400 bar is much higher.The excess mud treatment starts with the closing of the100 chambers of a filter press and is followed by mud feed-ing, with a volume of approximately 7,300 l of limed mudout of the storage silo being pumped into the chambers.The solid particles in the slurry collect on the surface ofthe filter cloth and create a so-called filter cake. At thesame time the water flows through the cake and the clothinto the plates, where it is led through small channels to adrain into a tank. In consequence of the increasing thick-ness of filter cake, the pressure increases to 7 bar. At thispressure set-point, the feeding pumps are regulated to holdthe pressure for a certain time until the filtration process iscompleted. The feeding process can also end after the useof a measured and calculated water content or a certainminimum flow of filtrate. Before the core blast sequencestarts, the inflating mode is carried out in the two mem-brane filter presses. During this mode, the volume of thechamber is reduced by inflating membranes to the plateworking water pressure of 14 bar. The compression re-moves residual water contained in the cake. The pressureis held over a certain time until the process is ended by arequired criterion.

After finishing this mode or following the feedingprocess (filter presses without membranes) respectively,the liquid core in the presses needs to be removed. This isnecessary to prevent the liquid mud falling down onto thedry filter cakes. Therefore compressed air is passedthrough the centre of the filter press to discharge the ma-terial into a small tank, where it is pumped back to thelimed mud silo. Before the hydraulic pressure is releasedto allow opening of the plates, the membranes is drained.Then compressed air is fed into hydraulic jacks on bothsides between the plates in a defined order to provide

enough space to drop out the cakes. The cakes dischargeby gravity, assisted by shaking the plates. The cakes falldown into a provided box, where they can be collected bya wheeled loader, mixed up with material from the beltconveyor and loaded onto a truck.

References

[1] CIRIA 574: Engineering in Chalk.[2] Wittke, W.: Stability Analysis and Design for mechanized

Tunnelling. Geotechnik in Forschung und Praxis, WBI-PRINT 6, Essen: VGE-Verlag, 2006.

[3] Maidl, B., Herrenknecht, M., Maidl, U., Wehrmeyer, G.:Mechanised Shield Tunneling. 2nd Edition. Berlin: Ernst &Sohn, 2012.

[4] Crossrail: Geotechnical Sectional Interpretative, Report 4:Isle of Dogs to Plumstead, Volume 1: Text. Report No.1D0101-G0G00-00520, Rev. B. 2007.

[5] Warren, C. D., Phear, A., Schulthies, T., Gregg, I.: Treat-ment and Placement of Chalk Spoil from the CTRL ThamesTunnel. Underground Construction, 2003.

[6] Tauschinger, M., Gallagher, M., Heron, W., Watson, P.,Warren, C. D.: Construction of the CTRL Thames Tunnel.Underground Construction, 2003.

[7] Kell, J.: The Dartford Tunnel. Paper 6671. Proc. Inst. Civ.Eng. 22 (1963), pp. 359–372.

[8] Shutter, G. B., Bell, G. A.: Design and construction of thesecond Dartford Tunnel. Tunnelling 79, Inst. Mining & Met-allurgy, pp. 331–337.

[9] Varley, P., Shuttleworth, P.: Spoil Disposal. In Harris, Hart,Varley, Warren (eds.) Engineering Geology of the ChannelTunnel. pp.174-193. London: Thomas Telford, 1996.

[10] N.N.: Muck pumping solves chalky problem in Lille. Tun-nels & Tunnelling May 1987, pp. 42–43.

Rainer RengshausenHochtief Solutions AGCivil Engineering and Tunneling Alfredstraße 236 45133 EssenGermany [email protected]

Tauriainen, Riku, MScProject DirectorHochtief Murphy JVHMJV Site OfficeWhite Hart Avenue, off Western WayPlumstead, SE28 0GWLondon, United [email protected]

Dipl.-Ing. Andreas RaedleTechnical and Risk ManagerHochtief Murphy JVHMJV Site OfficeWhite Hart Avenue, off Western WayPlumstead, SE28 0GWLondon, United [email protected]

Fig. 8. Slurry treatment plant


The Line 4 South being constructed in Rio de Janeiro crossescomplex geology that includes a long stretch of sand bounded bytwo stretches of hard, highly abrasive rock. These geologicalconditions, combined with the fact that the project is located in adistinct urban area, creates a demanding project scenario wherespecial care needs to be taken. After carrying out an evaluationto determine whether to use earth pressure balance or slurrytechnology, the design of a convertible EPB boring machine thatcan excavate both rock and soils was developed. This paper out-lines the technical difficulties of the project and describes the decision-making process and the solutions adopted. A technicaldescription of the different operation modes of this hybrid TBMand the conditioning process related to each of them is provided.

1 Project overview

The Metro Rio Line 4 project, also called Line 4 South,runs parallel to Ipanema Beach, between the beach andthe inner lagoon. The tunnel excavation is planned to startat General Osório II station and will end at Gávea Station.Fig. 1 shows the layout of the tunnel alignment.

The total length of the tunnel is 5,200 m including thestations. The double-track tunnel has an internal diameterof 10.33 m with a 0.40 m-thick segmental lining. The exca-vation of soils will be approximately 3 km long and the ex-

cavation in rock approximately 2 km long. The excavationwill be performed using an EPB shield with an excavationdiameter of 11.53 m.

2 Geological settings2.1 Soft ground section

The 3 km tunnel stretch in soils is mainly excavated in al-luvium sands and marine sands. At some sections, siltyand clayey sands are described. Occasionally, there areclay and silt layers embedded in the sands. At both ends ofthe soil section, mixed face conditions of rock and soil willprevail as the rock approaches. The groundwater table al-ways lies over the tunnel crown and is between 2 and 5 mbelow the ground surface.

The fine content of the relatively dense sands is lowand generally between 2 to 7 %. In a few boreholes, thefine content increases to maximum values of 8 to 12 %.The geological studies have shown that the expected per-meability is k = 10–4 m/s.

2.2 Rock section

The 2 km tunnel stretch in rock will be totally excavatedin gneiss. Table 1 summarises the minimum, maximum

Topics

Innovative hybrid EPB tunnelling in Rio de Janeiro

DOI: 10.1002/geot.201400006Ulrich MaidlJulio C. D. D. Pierri

Fig. 1. Tunnel alignment layout


U. Maidl/J. C. D. D. Pierri · Innovative hybrid EPB tunnelling in Rio de Janeiro

and average values of the rock properties. According toTable 1, the gneiss rock can be classified as a very strong,highly abrasive rock.

Fig. 2 shows part of the geological profile of the tun-nel alignment. Fig. 3 shows the three main cross-sectionscenarios depending on the geological units which appearon the face: sands, rock and sands and rock.

3 TBM selection

The applicability of the EPB and slurry method can be ver-ified on the basis of the German Recommendations forthe Selection of TBM [2]. The key geotechnical parame-ters for the selection of the TBM are the grain size distrib-ution (GSD), relative density and permeability. The shearresistance parameters and the soil permeability are influ-enced by the above mentioned parameters. Also, the ex-pected confinement pressure is an important parameter tobe considered. In the soft ground section, the requiredshield operational pressures at the crown will range from0.9 to 2.7 bar.

The main findings for the TBM selection are:– The permeability in soft ground is partly high.– The sands contain low amounts of fine contents.– The tunnel face needs active support.– The gneiss is a very strong, highly abrasive rock.

The first brief assessment based on the German Recom-mendation for the Selection of TBM [2] gives a clear pic-ture. According to Fig. 4, the key parameter assessmentshown by the yellow boxes indicate that a Slurry shield iswithin the recommend application area.

The main experience of the South American contrac-tors is with the operation of Earth Pressure Balancedshields and not Slurry shields. Moreover, the slurry tech-nology requires an amount of space that is not available inthe project area and carries a risk of high volume collaps-es in case of operation failures. Because of these reasons,MTC was mandated to analyse the feasibility of an EarthPressure Balance shield.

3.1 Evaluation for the applicability of the Slurry shieldtechnology in soils

The classical application ranges for EPB shields in claysand silts has been extended to coarser soils in several pro-jects. The decisive soil parameters for the assessment ofEPB shield feasibility are the grain size distribution, con-sistency and soil permeability. Fig. 5, which includes allthe average GSD curves of the project, and Table 2 showthe application range of an EPB shield regarding the geo -technical parameters.

According to the prerequisites for the use of EPB, aportion of the sands would lie outside of this range. How-ever, a more detailed analysis of the individual GSD, alower permeability resulting from the high relative densityof the sands and a deeper tunnel alignment may allow theshifting of the Metro Rio Line 4 soils into an admissiblezone for the use of an EPB shield.

In Zone 1 of Fig. 5, over the well-graded size distribu-tion curve with a minimum fine content of 30 %, there arepractically no application limits for EPB shields. These

Fig. 2. Geology of the long-section of the tunnel along astretch located in both rock (green) and sands (dotted)

Fig. 3. Geological cross-sections: a) in sands; b) in rock andsands; c) in rock

a)

b)

c)

Table 1. Rock properties according to test results

Parameter Unit No. of Min. Max. Averagesamples

UCS Mpa 6 76 236 174

Tensile strength Mpa 8 8.5 14.4 11.5

CAI – 4 4.6 5.2 5.0



are basically impermeable soils with consistencies deter-mined by the water content and the plastic and liquid lim-its. For a stiff consistency (IC > 1), high cohesion and lowpermeability, the shield can generally be driven withoutface support pressure. In the case that tunnel face supportis necessary, the consistency of the soil ought to be fluid toplastic (IC = 0.4 to 0.75). Foams, and also water and lowviscosity suspensions (bentonite and polymer), can beused as conditioning materials, depending on the miner-alogical composition of the ground.

Below Zone 1, the permeability as well as the internalfriction of the ground increase strongly. The applicationlimit for EPB shields will be determined by the permeabil-ity coefficient k and the groundwater pressure. For thepractical application, the ground permeability should notexceed the value of k = 10–5 m/s combined with a pressureof 2 bar. If the permeability value is set through the ap-proximate relation k ≅ d10

2 (d in cm), the maximum grainsize, which value should not be exceeded by more than10 % of the soil in weight, is approximately 0.03 mm. InFig. 5, a well-graded grain distribution curve that complies

Fig. 4. Selection criteria for slurry shields in soils based on the GBR information; + main field of application; � applicationpossible; – application critical [2]

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,001 0,01 0,1 1 10 100

Grain diameter in [mm]

Cum

ulat

ive

finer

than

[%]

1

3

2

Metro Rio L4

Fig. 5. Application ranges of EPB shield technology depend-ing on the grain distribution [1] with all the average GSDcurves of Metro Rio L4

Table 2. Application range conditioning agents [1]

Area Prerequisites Conditioning agent

1 IC, support medium water= 0,4–0,75 clay and polymer

suspensionstenside foams

2 k < 10–5 m/s (10–3 cm/s) clay and polymer water pressure < 2 bar suspensions

tenside foams

3 k < 10–4 m/s (10–2 cm/s) high-density slurriesno groundwater pressure polymer suspensions of

high molecular weightpolymer foams



with this specification limits Zone 2 in the lower bound-ary. Ground conditioning with water in Zone 2 is not ef-fective; hence, suspensions or foams have to be used.

In Zone 3, EPB shields should only be used above thegroundwater table. The suitable conditioning materials forZone 3 are exclusively high-density slurries, high-molecu-lar weight polymer suspensions or polymer foams.

Below Zone 3, the permeability of the ground is highand the use of conditioning agents sets high demands be-cause the conditioning agents flow from the tunnel faceinto the ground. Without successful conditioning, thetransmission of the supporting pressure over the ground-water overpressure is not possible, since the requirementsfor a closed system are not fulfilled.

If the content of conventional suspension-like condi-tioning (fluid, not highly water-absorbing conditioners,such as water, bentonite or low viscosity polymers) materi-als exceeds 40 to 45 % of the excavated volume, then theconsistency of the spoil lies generally in the liquid zone andthe spoil conveyance must then be replaced by an hydraulicconveyance system. This results automatically in problemswith the spoil disposal. The use of foams allows the addi-tion of larger volumes. Due to the pronounced elastic ca-pacity and the considerably lower liquid addition of foamground conditioning, this is better than and preferable toconditioning with suspensions. Highly water-absorbingpolymers are recommended to reduce the water content ofconditioning material and to seal the tunnel face.

3.2 Comparison with the Botlek Tunnel and the New MetroRail City Project of Perth

The double-tube Botlek Tunnel in the Netherlands was ex-cavated between 1999 and 2001 with an EPB shield. Fig. 6shows the characteristic GSD curve of the homogeneoussands of the project compared to the Metro Rio Line 4 en-velope curves. The Botlek tunnel curve is similar to thecoarsest envelope of the Metro Rio Line 4 project. The rel-ative density of the sands in the Botlek Tunnel was pre-sumably lower than in Rio. Table 3 compares the mainground conditions of the Metro Rio Line 4 project and theBotlek tunnel.

The use of an EPB shield in the Botlek Tunnel in sat-urated sands with relatively high face pressures was suc-

cessful. In comparison with the Metro Rio Line 4 project,the conditions will be very similar.

For the shield drive of the second tube, muck con-veyance took place almost exclusively with a belt convey-or. For compressed air interventions and for long stand-stills, large volumes of bentonite were injected into the ex-cavation chamber. The TBM was also equipped with a hy-draulic conveyance circuit which allowed the pumping ofthe muck when the consistency was too liquid.

Despite the success of the EPB shield-driven tunnelin saturated sands, it must be noted that this project wasexcavated in green field, not in an urban area. This has animpact on the risk assessment performed for the MetroRio Line 4, which will be different because it is a tunnelproject in a dense urban area.

As a comparison, the New MetroRail City Project ofPerth [3] had very similar geological conditions to RioLine 4 South. Fig. 7 shows the grain distribution of TunnelNorth of the New MetroRail City Project, which also hadareas in Zone 3. The boundary conditions were also simi-lar since the project was situated in the immediate vicinityof high-rise buildings. Conditioning was carried out bymeans of foam or foam with the addition of polymers,which means less intense ground conditioning than theconditioning expected for the Metro Rio Line 4 South pro-ject. Even so, the project proved to be successful.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,001 0,01 0,1 1 10 100Grain diameter in [mm]

Cum

ulat

ive

finer

than

[%]

Botlek Ring Nr. 666

132

Metro Rio L4

Fig. 6. Comparison of the GSD curves of Metro Rio Line 4and the Botlek Tunnel

Table 3. Comparison with the conditions at the Botlek Tunnel.

Botlektunnel Metro Rio Line 4, South

GSD middle grained sand middle grained sand

Min. fine content (<0,06 mm) 3 % 6 %

Max. permeability approx. 10–2 cm/s 10–2 cm/s

Groundwater pressure approx. 2.0 bar approx. 0.4 to 2.1 bar

Max. face support pressure TBM 2.7 bar estimated 0.9 to 2.7 bar

Muck conveyance conveyor belt. alternatively hydraulic conveyor belt. alternatively hydraulic

Settlements approx. 3 cm estimation: 2 cm

Compressed air interventions very few interventions Hydraulic circuit was activated. to be verified

Tool replacement 1,700 m without tool replacement to be verified



4 Pros and cons of EPB versus slurry

Based on the analysis performed, the geotechnical condi-tions indicate that the use of slurry shield technology isslightly more suitable in the given soils. The sands withvery low fine contents are particularly suitable for the slur-ry shield technology.

In rock, both EPB and slurry shield technologies arecompromised solutions. The material flow from the face,through the cutter head openings and through the excava-tion chamber will be hindered by the accumulation of

rock chips in these areas. This will cause additional grind-ing of the rock chips and increased secondary wear. How-ever, assuming that excavation in rock can take place inopen mode, both technologies would be feasible in therock stretch. Due to high rock strength and abrasiveness,high wear should be expected not only on the cutting toolsand cutter head, but also on the screw conveyor (EPBshield) and the outflow slurry pipes and pumps of the hy-draulic conveyance system (Slurry shield). Therefore, itwould be advisable to use a convertible machine that al-lows the allocation of a conveyor belt behind the cutterhead at the centre of the TBM. In this case, if a Slurryshield is used, the conveyance system should be complete-ly changed from a hydraulic system to an additional beltconveyor.

Working in rock with an open TBM and muck extrac-tion on a conveyor belt at the centre of the excavationchamber will allow the elimination of the wear on an im-portant element (screw conveyor). In this case, if a Slurryshield is used, the conveyance system should be complete-ly changed from a hydraulic system to an additional beltconveyor.

5 Conclusions for the selection of the tunnelling method

In terms of system behaviour in soils, the selection of aSlurry shield would be the traditional choice. However,with the latest developments EPB technology is also suit-

0,001 0,01 0,1 1 100

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

Paticle size (mm)

Fig. 7. Application ranges of EPB shield technology depend-ing on the grain distribution [1] with the GSD curves ofTunnel North of the New MetroRail City Project

Fig. 8. Selection criteria for EPB shields in soils based on the project information; + main field of application; � applicationpossible; – application critical [2]



able for the Metro Rio Line 4 ground conditions (Fig. 8).From the point of view of cost effectiveness in soils, a de-tailed cost analysis was performed to compare the twotechnologies. Moreover, in this part of the city of Rio deJaneiro it is impossible to find areas to install a necessaryslurry separation plant and all the equipment that is need-ed to perform the excavation.

A very important decision-making factor has beenthe higher risk of large volume collapses using Slurryshields. During excavation, the mining chamber is filledwith slurry, and in case of operation errors or mechanicalproblems the blowout and collapse risk is higher. It has tobe mentioned that, until now, contractors in South Amer-ica have had very little experience using slurry techno -logy.

For the excavation in rock, both EPB and Slurryshields are feasible if they can be operated in most of therock stretch with no face support pressure. However, thesetwo technologies represent compromised solutions, whereincreased wear and lower shield performances will occur.The high wear potential should be taken into considera-tion in the design of the shield TBM and wear protectionmeasures.

For this reason, the use of a convertible machine thatallows operating with a conveyor belt at the centre of theexcavation chamber is recommended. Wear will be lowerin rock working with an open TBM with a conveyor belt inthe centre of the excavation chamber than working withthe EPB or slurry technology.

All findings lead to the conclusion that an innovativeHybrid TBM combining the advantages of Slurry Shields,Earth Pressure Balanced Shields and Open Shields (forthe rock section) has to be developed to deal with the pro-ject and ground conditions.

6 Innovative hybrid TBM

Hybrid Shields, which are designed to switch operationmodes, were already produced in the 1980s by Japanesemanufacturers and contractors. For the tender of the Mia-mi Port Tunnel, Odebrecht (one of the Consortium CL4Spartners) and Maidl Tunnelconsultants developed a tech-nical approach based on an EPB transporting the muckbehind the screw conveyor with an open belt or a closedslurry system. The Botlek Tunnel in the Netherlands run-ning in similar sands was successfully finalised with a Hy-brid TBM where two piston pumps are connected to thescrew conveyor. The Slurry TBMs for the Grauholztunnelin Switzerland (1993–94) were equipped with a separationplant system on the backup gantries and a belt conveyorsystem for the muck discharge to the portal.

7 Conditioning and muck conveyance

Due to the complexity of the conditioning requirements,special care will have to be taken in regard to the qualityand combination of conditioners to be applied. For thatpurpose, several tests for three different foaming agents(surfactants) were carried out in the Ruhr University ofBochum [4]. These test were focused on the behaviour andquality of the foam, the conditioning behaviour of theground and the sealing of the tunnel face.

7.1 Foam behaviour and quality

The mixing of water, air and surfactant leads to the forma-tion of the foam. The following tests were carried out:– Foam Expansion Rate (FER): Ratio of the liquid phase

volume (water and surfactant) and the total foam vol-ume. In other words, how wet or dry the foam is.

– Drainage behaviour: It measures the foam quantity,which drains over time.

– Bubble size: It is measured over time, and then the cellskeleton transformation can be studied. An explanationfor the drainage behaviour can be derived.

7.2 Conditioning behaviour of the ground

Regarding the conditioned soils, the test carried out(Fig. 9) investigated following parameters:– Workability: This parameter gives an idea of how well

the ground will flow through the excavation chamberand is studied by means of a slump test.

– Permeability: An adequate permeability is required inorder to prevent uncontrolled groundwater inflow. Themethodology differs, but the information provided bythis test is similar as the information of the drainage be-haviour test.

– Drainage behaviour: A water head is loaded on a soil-foam sample and the drainage of 3 l is recorded.

7.3 Sealing of the tunnel face

This aspect is especially important in coarse-grained soilssuch as the sands of the Metro Rio Linha 4 Sul because ofthe risk of uncontrolled pressure losses, both in advanceand in short-term standstills. The tests carried out aimedto study the feasibility of face sealing and how long thissealing can be maintained. These tests were:– Foam penetration. The progress of foam infiltration is

studied, which can inform about the effects of sealingand the void water expulsion over time.

– Slurry penetration. This procedure is the same as thefoam penetration test. Compared to the foam, the slurryforms a filter cake which brings stability to the excava-tion face. When carried out, a test which applies pres-surised air after removing the filter cake aims to studythe seal during the application of compressed air. Threekinds of slurries were studied: polymer-filler slurry, ben-tonite slurry and bentonite-filler slurry.

Fig. 9. Tests for the conditioning behaviour of the ground:slump, permeability and drainage test (from left to right)

7.4 Main aspects of foam conditioning

Main findings from the foam tests were: – Regarding the foam behaviour and quality, two of the

three surfactants studied had good results. – With respect to the conditioning behaviour of the

ground, good results were achieved for the three surfac-tants. However, the product that had the worst foam be-haviour needed more quantity to reach the same resultas the other two surfactants.

– The three kinds of surfactants are adequate to be usedon-site for ground conditioning.

– With regard to face sealing, it was determined that foamcan be used for face sealing during short-term stoppages.For longer standstills, bentonite-filler-polymer slurry wasdetermined to be the most suitable conditioner.

7.5 Multimode muck discharge and separation solution

Normally, the muck will be transported by belt conveyors.However, in a case where the volume of slurry injected in-to the face is so high that the muck turns liquid, belt con-veyance not would be feasible. A high-density pumpingsystem will make the transportation of this muck possible.As a high quantity of slurry will be injected, a separationplant will be installed in order to recover the conditioningagent to reuse it.

8 Operation modes

In consideration of the geotechnical parameters of thematerial to be excavated and the face pressures that themachine will have to bear, the following operation modesare proposed by MTC (Fig. 10):

8.1 OM-BC: open mode, belt conveyor

In open mode, no pressure is applied to the face. The re-moval plates inside the cutter head transport the rockchips on a belt conveyor running through the centre of themain bearing (Fig. 10a). Operation in open mode is onlypossible in sound and stable rock. In fractured water-bear-ing rock, the inflow of water will be controlled by conven-tional pumping devices.

Since it is not possible to install the main rotarytransmission, no lines for foam or slurries running to thecutter head for ground conditioning are available.

8.2 OM-SC: open mode, screw conveyor

Using the screw conveyor in open mode instead of the belt conveyor, conditioning is possible since the main ro-tary transmission is installed in the centre and conse-quently the foam lines can be connected to the cutter head(Fig. 10b).

Conditioning is recommended to reduce the densityof the material in the excavation chamber, to minimise thewear and to enhance the flow of the material throught thescrew conveyor. Ground conditioning will also provide ahigher filling degree of the screw conveyor and conse-quently the rotation speed of the screw conveyor will de-crease.

InnoTrans 201423. – 26. SEPTEMBER · BERLINInternationale Fachmesse für VerkehrstechnikInnovative Komponenten · Fahrzeuge · Systeme

innotrans.de

THE FUTUREOF

MOBILITY

Deutsche Handelskammer in Österreich Schwarzenbergplatz 5 Top 3/1 · 1030 WienTel. +43.1.5451417-39 · Fax [email protected]



8.3 TM-SC: transition mode, screw conveyor

The excavation chamber is partially filled and slight pres-sure is normally reached by the air bubble formed on topof the muck inside the excavation chamber. Water flowwill be avoided, and operating with a pressurised excava-tion chamber also leads to a more symetrical pressure dis-tribution of the main jacks (Fig. 10c).

Intensive ground conditioning is recommended toprovide a good muck flow and to reduce wear. The modeTM-SC is used in fractured rock or stable ground that hasgeological uncertainty with the potential for relativelyhigh water inflow.

8.4 EPB-SC-BC: closed mode, screw conveyor, belt conveyor

In EPB mode the filling degree of the mining chamberreaches 100% and the muck is pressurised actively. Moreintensive conditioning is required in order to enhance theflow and water tightness of the muck, as well as to makethis muck more compressible and better to handle. Closedmode is obligatory in treated and untreated soft groundsections (Fig. 10d).

8.5 EPB-SC-P-BP: closed mode, screw conveyor, piston pumps, separation plant

This mode is used when the muck is too liquid to controlthe discharge by the screw gate. Liquifaction also encum-bers transport by the belt conveyor. In that case, high-den-sity pumps connected at the screw transport the muck tothe vibration sieve of the separation plant before beingcarried by the belt conveyor (Fig. 10e).

Solids and high-density muck will be separated from low-density slurry. Low-density slurry can be reused as conditioner and therefore be directly reinjectedto the ground through the cutter head. Also, low-densityslurry can be pumped to the reservoir at the tunnel entrance.

8.6 EPB-SC-P-SP: closed mode, screw conveyor, piston pumps, separation plant

As in EPB-SC-P-BC, the muck will be transported by pis-ton pumps from the screw conveyor to the sieve of the sep-aration plant (Fig. 10f). In the case of the muck consisten-cy becoming so liquid that too much excavated materialgoes through the sieve, the use of the separation plant as aback-up would be necessary.

It has to be noted that polymer may cause cloggingproblems in the cyclones of the separation plant. There-fore, bentonite slurries in combination with lower amountof polymer foam should be used in this operation mode.

Fig. 11 summarizes the type of modes that will beused, together with the conditioning to be used and thetype of ground where they are mainly used.

9 Conclusion

Summarizing the findings leads to the following conclu-sions:

Fig. 10. Sketch of the operation modes: a) OM-BC: openmode, belt conveyor; b) OM-SC: open mode, screw conveyor;c) TM-SC: transition mode, screw conveyor; d) EPB-SC-BC:closed mode, screw conveyor, belt conveyor; e) EPB-SC-P-BC: closed mode, screw conveyor, piston pumps, belt con-veyor; f) EPB-SC-P-SC: closed mode, screw conveyor, pistonpumps, screw conveyor

a)

b)

c)

d)

e)

f)



– The project Line 4 presents demanding characteristics.Both hard rock and soft ground have to be excavated ina sensitive urban environment.

– The excavation of sands is best carried out by Slurryshield technology. However, there is very little experi-ence in operating Slurry shields in South America. Thelack of space for the separation plant and risk of high-volume collapses in case of operation failures were im-portant issues for a detailed alternative assessment ofthe EPB technology.

– The sands encountered in the project alignment show agrain size distribution with very low fines. TraditionalEPB technology reaches the application limit because ofthe high permeability expected. However, the high den-sity of the sands (which decreases the expected perme-ability) and the advances in this technology demon-strate that the use of this technology is suitable for theconditions of Rio Line 4 South project.

– A hybrid TBM combining the advantages of a Slurryshield, Earth Pressure Balanced Shield and Open Shield(for the rock section) was the best solution. Proven tech-nology from the Botlek Tunnel and other projects hasbeen used for a tailor-made solution dealing with all pro-ject requirements.

References

[1] Maidl, U.: Erweiterung des Einsatzbereiches von Erd-druckschilden durch Konditionierung mit Schaum. Disser -tation Ruhr-Universität Bochum, 1994.

[2] DAUB: Recommendations for selecting and evaluating tun-nel boring machines. Cologne, 2010.

[3] Oskar, S., Hiroshi, Y.: Predicting New Metrorail City Pro-ject. Underground Structures, Perth 2007.

[4] Thewes, M.: Laboratory investigations on soil conditioning“Linha 4 Rio de Janeiro”. Ruhr Universität Bochum, 2013.

Julio C. D. D. PierriConsorcio Linha 4 SulPraça da Grécia, SINCEP. 22430-000Ipanema – Rio de JaneiroBrazil

Dr.-Ing. Ulrich Maidlmtc Maidl Tunnel Consultants Rupprechtstraße 2580636 [email protected]

Fig. 11. Operation modes to be used

SC Screw ConveyorBC Belt ConveyorSP Separation PlantP Pump


Topics

DOI: 10.1002/geot.201310029

The contribution gives an overview of the state-of-the-art ofprocess controlling in mechanised tunnelling. A web-based andubiquitous integrated database forms the backbone of PROCONII, a software for the analysis of machine data, project specifica-tions, shift reports and geodetic information stored in a temporal-ly and spatially correlated data structure. The software helps tobuild a knowledge base that is fed by experience from the pre-sent as well as all previous projects and that helps optimisingsafety, efficiency and performance of a mechanised tunnellingproject. Along with a brief summary of the program features ofPROCON II, this contribution gives three examples of how thesoftware can be employed to gain insight into the key mecha-nisms of Earth Pressure Balanced (EPB) shield tunnelling andhow it can help to improve the tunnelling performance.

1 Introduction

Mechanised tunnelling with shield is characterised by ahigh degree of mechanisation, which is unusual in theconstruction industry. The construction process is domi-nated by the machine itself, whose various technical com-ponents have to be monitored continuously and with greatcare in order to achieve optimal performance. Tunnel bor-ing machines are however also fitted with a multitude ofsensors and the continuous evaluation of these is indeed agreat challenge but offers in return promising possibilitiesfor analysing, optimising and monitoring the tunnellingprocess at any time.

The data logging, which forms the basis for comput-erised process controlling, is implemented through a datawarehouse, a database structure. This database structureis in a position to read, save and evaluate the 200 to 1,000sensor values a modern tunnelling machine producesevery two to ten seconds, representing a total of two tofour million entries per day over a typical tunnel drive du-ration of some months.

In addition to this automatically recorded machinedata, there are other data sources, from geodetic surveydata through geotechnical information to shift reports,which are connected with the tunnelling works. This ex-ternal data is increasingly also recorded electronically andthus offers the opportunity of recording and analysing ittogether with the machine data in one integrated databasestructure. For example, measurements of settlements areoften no longer made manually but read electronically sothat they can be inputted directly into the database.

Der Beitrag gibt einen Überblick über den Stand der Technik desProzesscontrolling im maschinellen Tunnelbau. Eine webbasierteund überall verfügbare integrierte Datenbank bildet das Rückgratvon PROCON II, einer Software, welche die Analyse von Maschi-nendaten mit Projektspezifikationen, Schichtprotokollen und geo-dätischen Informationen in einer räumlich und zeitlich korrelier-ten Datenstruktur verknüpft. Die Software unterstützt dabei denAufbau einer Wissensbasis, die auf Erfahrungen aus dem laufen-den sowie aus vorangegangenen Projekten beruht, und dabeihilft, die Sicherheit, Effizienz und Leistungsfähigkeit eines ma-schinellen Tunnelvortriebs zu optimieren. Neben einer kurzenÜbersicht über die Programmfeatures von PROCON II beinhaltetdieser Beitrag drei Beispiele, wie die Software eingesetzt werdenkann, um am Beispiel eines Erddruckschildvortriebs Einblicke inSchlüsselmechanismen zu erhalten, und wie sie dadurch helfenkann, die Vortriebsleistung zu verbessern.

1 Einleitung

Der maschinelle Schildvortrieb ist durch einen hohen Me-chanisierungsgrad gekennzeichnet, der im Bausektorsonst unüblich ist. Der Bauprozess wird dabei von derSchildmaschine selbst dominiert, deren vielfältige techni-sche Bauteile laufend und mit großer Sorgfalt überwachtwerden müssen, um eine optimale Leistung zu erzielen.Tunnelvortriebsmaschinen sind aber auch mit einer Viel-zahl von Sensoren ausgestattet, deren kontinuierliche Aus-wertung zwar eine große Herausforderung darstellt, dieaber im Gegenzug eine vielversprechende Möglichkeit zurEvaluierung, Optimierung und Überwachung des Vor-triebsprozesses zu jeder Zeit bietet.

Die Datenaufzeichnung, welche die Basis für dascomputerbasierte Prozesscontrolling bildet, wird dabeimithilfe eines sogenannten Data Warehouse, einer Daten-bankstruktur, realisiert. Diese Datenbankstruktur ist inder Lage, die bei modernen Schildmaschinen anfallenden200 bis 1.000 Sensorwerte alle zwei bis zehn Sekundeneinzulesen, zu speichern und auszuwerten, die sich aufzwei bis vier Millionen Einträge pro Tag über eine typischeVortriebsspanne von einigen Monaten summieren.

Neben diesen automatisch erfassten Maschinendatenexistieren weitere Datenquellen, von geodätischen Ver-messungen über geotechnische Informationen bis hin zuSchichtprotokollen, die eng mit den Vortriebsarbeiten ver-knüpft sind. Diese externen Daten werden in zunehmen-dem Maß ebenfalls elektronisch erfasst und bieten daher

Real time process controlling for EPB shields

Echtzeit-Prozesscontrolling bei Erddruckschilden

Ulrich MaidlJanosch Stascheit


U. Maidl/J. Stascheit · Real time process controlling for EPB shields

The centrally recorded information from various het-erogeneous sources form together with the manifold ma-chine data a rich source of knowledge, which can be ex-ploited for the improvement of the overall tunnelling pro-ject. This contribution presents a software program devel-oped by the authors, which provides a web-based platformfor the saving, organisation, visualising and analysis of da-ta from mechanised tunnel drives. The program displaysall available project information together with the ma-chine data in the form of a uniform, spatially and tem-porarily correlated environment to enable the maximumuse to be made of the available information. The know -ledge gained in the course of the project is made availableto all parties involved in the project – worldwide and in re-al time. This enables critical situations to be recognisedquickly and preventative measures to avoid them to be in-troduced in good time.

The use of computer-based knowledge processing intunnelling, not only during the actual driving of the tunnel[3] but also already in the design phase [1], is an area of active research and was already one of the themes of theEuropean research project TUNCONSTRUCT (2005 to2009).

The following sections first describe the data modelof the program, above all regarding the specific challengesof the large and heterogeneous quantities of data. Thenthe analysis features of the program are described and fi-nally illustrated through three definite examples.

2 Data model

The key part of the program is a global database for allprocess data, which can be accessed from all over theworld and in real time. This makes use of a web-basedclient-server architecture, which guarantees good data se-curity and integrity while also offering worldwide avail-ability, ease of maintenance and portability.

Not only the large quantity of data, but also its struc-ture, the correlations and the knowledge inherent in thedata make the machine data from mechanised tunnel dri-ves suitable for methods, which are often described underthe term Big Data.

One of the main themes of Big Data is the integrationof various data sources with the intention of linking thedata and extracting added value from the linkage. In thecase of mechanised tunnelling, this added value consistsof knowledge about the safety, productivity and efficiencyof a tunnel drive.

For the server-side data module, this means above allthat all data has to be assigned a common place and timereference. The information about the “where” and “when”of each event and every measured value is the key to adeeper understanding of the data and the associated realprocesses. Based on this common reference system, anyfurther information such as documents, measured values,ideal values or expert knowledge can be added to the data-base.

From the point of view evaluation and analysis, allavailable data can be compared, visualised, and offsetagainst each other in any combination. This represents theactual added value since it simplifies the comparison ofactual and ideal values, the relationship of the machine

die Möglichkeit, in einer integralen Datenstruktur gemein-sam mit den Maschinendaten erfasst und ausgewertet zuwerden. So werden beispielsweise Setzungsmessungen oftnicht mehr manuell durchgeführt, sondern elektronischausgelesen, sodass sie direkt in die Datenbank eingespeistwerden können.

Die zentral erfassten Informationen aus verschiede-nen, heterogenen Quellen bilden gemeinsam mit denmannigfaltigen Maschinendaten eine reiche Wissensquel-le, die zur Verbesserung des gesamten Vortriebsprojektsausgeschöpft werden kann. In diesem Beitrag wird einevon den Autoren entwickelte Software vorgestellt, die einewebbasierte interaktive Plattform zur Speicherung, Orga-nisation, Visualisierung und Auswertung von Daten ausSchildvortrieben bereitstellt. In der Software werden alleverfügbaren Projektinformationen gemeinsam mit denMaschinendaten in einer einheitlichen, räumlich und zeit-lich korrelierten Umgebung visualisiert, sodass der maxi-male Nutzen aus den verfügbaren Informationen gezogenwird. Das aus den Projekterfahrungen erworbene Wissenwird dabei allen beteiligten Projektpartnern zur Verfü-gung gestellt – weltweit und in Echtzeit. Dadurch könnenkritische Situationen rasch erkannt und vorbeugendeMaßnahmen zu ihrer Vermeidung rechtzeitig eingeleitetwerden.

Die Verwendung von computerbasierter Wissensver-arbeitung im Tunnelbau, nicht nur vortriebsbegleitend [3]sondern auch bereits in der Entwurfsphase [1], ist ein Be-reich aktiver Forschung und war bereits einer der Schwer-punkte im europäischen Forschungsprojekt TUNCON-STRUCT (2005 bis 2009).

In den folgenden Abschnitten wird zunächst das Da-tenmodell der Software vor allem im Hinblick auf die spe-zifischen Herausforderungen der großen und heterogenenDatenmengen beleuchtet. Danach werden die Analyse-möglichkeiten der Software aufgezeigt und schließlich an-hand dreier konkreter Beispiele erläutert.

2 Datenmodell

Kernstück der Software ist eine globale Datenbank für alleProzessdaten, auf die weltweit und in Echtzeit zugegriffenwerden kann. Dazu wird eine webbasierte Client/Server-Architektur verwendet, die eine hohe Datensicherheit und-integrität bei gleichzeitiger weltweiter Verfügbarkeit, War-tungsfreundlichkeit und Portabilität garantiert.

Nicht nur die große Datenmenge, sondern auch ihreStruktur, die Korrelationen und das den Daten inhärenteWissen machen die Maschinendaten aus dem maschinel-len Tunnelbau für Methoden zugänglich, die üblicherwei-se unter dem Begriff Big Data zusammengefasst werden.

Eines der Hauptthemen von Big Data ist die Integra-tion unterschiedlicher Datenquellen mit dem Ziel, dieseDaten zu verknüpfen und als Mehrwert zusätzliches Wis-sen aus dieser Verknüpfung zu ziehen. Im Fall des maschi-nellen Tunnelbaus besteht dieser Mehrwert aus Erkennt-nissen zur Sicherheit, Produktivität und Effizienz einesVortriebs.

Für das serverseitige Datenmodell bedeutet dies vorallem, dass alle Daten einer gemeinsamen räumlich-zeitli-chen Referenz zugeordnet werden müssen. Die Informati-on über das „wo“ und „wann“ eines jeden Ereignisses und



data to the geotechnical design and shows the influence ofcontrol decisions on the system behaviour.

Fig. 1 shows the typical sources of information, thatare saved in the program and can be analysed. One partic-ular feature of the program is the capability of handlingdata in real time. Typical shield machines deliver a com-plete data set of measured values every two to ten sec-onds. In a special visualisation mode, this data and all oth-er relevant data at that point in time can be observed con-tinuously. This enables the user to monitor not only themeasured values but also information derived from it, forexample comparison of the ideal and actual values, in realtime.

3 Program features

The user interface of the program on the client side is aweb application, which can run on any modern webbrowser. There follows a description of the individual pro-gram modules as seen by the user.

3.1 Data visualisation and interpretation

All data in the database can be displayed in interactiveand freely configurable diagrams. The diagrams can bezoomed and adapted directly in the browser and are as-signed to specially developed dashboards, which can beconfigured by the user to display various informationabout defined areas of interest. For example, partialprocesses of the tunnel drive like face support, annulargap grouting, support slurry or earth muck circulation canbe understandably prepared and visualised. Any selectionof machine data, ideal values, additional information andcalculated values, which are created directly from the sen-sor data, can be visualised in each diagram with a freelyconfigurable appearance. Fig. 2 shows as an example a di-agram to visualise the conditioning parameters of anEPBM (see Section 4.1).

In particular the possibility of defining additional in-formation and creating calculated values extends the

jedes Messwerts ist der Schlüssel zu einem tieferen Ver-ständnis der Daten und der damit verbundenen realenProzesse. Basierend auf dieser gemeinsamen Referenzkönnen der Datenbank beliebige weitere Informationenwie Dokumente, Bilder, Messwerte, Zielwerte oder Exper-tenwissen hinzugefügt werden.

Auf der Seite der Auswertung und Analyse können al-le verfügbaren Daten verglichen, visualisiert und in belie-bigen Kombinationen miteinander verrechnet werden.Hier entsteht der eigentliche Mehrwert, indem der Soll-Ist-Vergleich, das Verhältnis der Maschinendaten zum geo-technischen Entwurf und der Einfluss von Steuerungsent-scheidungen auf das Systemverhalten vereinfacht werden.

Bild 1 zeigt die typischen Informationsquellen, die inder Software gespeichert und analysiert werden können.Ein besonderes Feature der Software ist die Fähigkeit zurBehandlung von Echtzeitdaten. Übliche Schildmaschi-nen liefern alle zwei bis zehn Sekunden einen komplettenDatensatz von Messwerten. In einem speziellen Visuali-sierungsmodus können diese Daten sowie alle weiterenzu diesem Zeitpunkt gehörenden Informationen kontinu-ierlich betrachtet werden. Dadurch kann der Benutzernicht nur Messwerte sondern auch daraus abgeleitete In-formationen, z. B. Soll-Ist-Vergleiche, in Echtzeit über -wachen.

3 Programmfeatures

Die Benutzerschnittstelle der Software auf der Client-Seiteist eine Webanwendung, die auf jedem modernen Web-browser lauffähig ist. Im Folgenden werden die einzelnenModule der Anwendung aus Sicht des Benutzers erläutert.

3.1 Datenvisualisierung und -interpretation

Alle Daten, die sich in der Datenbank befinden, könnenmithilfe interaktiver und frei konfigurierbarer Diagrammedargestellt werden. Die Diagramme können direkt imBrowser gezoomt und angepasst werden und sind auf speziell entwickelten Dashboards angeordnet, die vom Be-

Fig. 1. Database and data types inPROCON IIBild 1. Datenbank und Datentypen in PROCON II



scope of application of the program and makes it possibleto evaluate the key processes and the performance of thetunnel drive at a glance, although it is also possible toanalyse all aspects of the project in more detail.

3.2 Dynamic map display

The relevant project documents like CAD drawings, re-ports about existing infrastructure or buildings, geotechni-cal reports, ground parameters or images are saved in thedatabase and assigned to the project-wide geometrical andtime reference system. Using a geographic informationsystem (GIS), the relationship of this metadata togetherwith the automatically recorded machine data and all oth-er project information is shown on interactive maps in thedashboard, with the current position of the tunnel boringmachine always being shown for orientation. This enablesincidents, alarm values, performance evaluations and oth-er analyses to be related directly to the current position ofthe machine or the incident.

3.3 Alarm function

The simultaneous saving and referencing of ideal and ac-tual values enables an automated alarm function. Throughdirect integration of the data into the database, an alarmcan be configured to inform any recipient when any valueis more or less than configured alarm thresholds. In addi-tion, alarm thresholds can also be displayed in the inte-grated map in order to simplify orientation.

This means that any interruptions that are detectedcan be reported to the responsible persons in real time sothat the necessary countermeasures can be taken withoutdelay. Many problems can be prevented in advance by therapid action enabled in this way.

nutzer zur Darstellung verschiedenster Informationen zubestimmten Themengebieten zusammengestellt werdenkönnen. Dabei werden beispielsweise Teilprozesse desSchildvortriebs wie die Ortsbruststützung, die Ringspalt-verpressung, der Stützflüssigkeits- oder Erdbreikreislaufübersichtlich aufbereitet und visualisiert. In jedem Dia-gramm kann eine beliebige Auswahl von Maschinendaten,Zielwerten, zusätzlichen Informationen und Rechenwer-ten, die direkt aus den Sensordaten erzeugt werden, in freiwählbarer Optik visualisiert werden. Bild 2 zeigt ein Beispieldiagramm zur Visualisierung von Konditionie-rungsparametern bei einem Erddruckschild (vgl. Ab-schnitt 4.1).

Insbesondere die Möglichkeit, zusätzliche Informa-tionen zu definieren und Rechenwerte zu erzeugen, erwei-tert den Anwendungsbereich der Software und ermöglichtes, die Schlüsselprozesse und die Leistung des Vortriebsauf einen Blick zu evaluieren, während gleichzeitig dieMöglichkeit zur vertieften Analyse aller Aspekte des Pro-jekts besteht.

3.2 Dynamische Kartendarstellung

Die relevanten Projektdokumente wie CAD-Zeichnungen,Berichte über existierende Infrastrukturbauwerke oderGebäude, geotechnische Berichte, Baugrundparameteroder Bilder werden in der Datenbank gespeichert und demprojektweiten geometrischen und zeitlichen Referenzsys-tem zugeordnet. Mithilfe eines geodätischen Informati-onssystems (GIS) wird die Beziehung dieser Metadatengemeinsam mit den automatisch erfassten Maschinenda-ten und allen weiteren Projektinformationen auf interakti-ven Karten in den Dashboards angezeigt. Dabei wird zurOrientierung jeweils die aktuelle Position der Vortriebs-maschine angezeigt. Dadurch können Zwischenfälle,

Fig. 2. Graphical display of machine data in freely configurable diagramsBild 2. Grafische Darstellung von Maschinendaten in frei konfigurierbaren Diagrammen



3.4 Tool management and digital ground model

Input values regarding the management of interventionsfor the maintenance and replacement of the cutting toolsare important for process-related data analysis. Using aninteractive input dialog, the maintenance team can recordall information about the wear pattern, tool changes andfurther information obtained during interventions. An au-tomatic tool inventory makes it possible to monitor thelifecycle of every tool.

Through a correlation of the maintenance informa-tion with the digital ground model, intelligent data analy-sis tools can be used to investigate the influence of certaintypes of ground, tools or even the control of the machineon the wear behaviour.

If the main causes of tool wear are known and thelifetime of the tools can be predicted better, the mainte-nance intervals can be optimised and the risk of un-planned stoppages reduced.

3.5 Shift reports

The human factor represents the last block of data for theprofessional analysis of tunnel drives. Through a clevercombination of inherent information about various eventswith manually inputted data as well as the keeping ofmaintenance times in the system, all processes in the tun-nel drive can be investigated regarding their time and coststructure.

Powerful data mining tools enable the program tofind out the reasons why one shift performs better thananother or which parameters have a positive influence onthe advance rate. The integrative nature of the data storage and the common spatial and temporal referenc-ing of the data help to recognise unknown relation-ships and offer insight into hidden mechanisms in theprocess.

4 Application examples4.1 Active support pressure control with foam

The success of face support depends mainly on the foaminjection. Only if the quality of foam is sufficient will thepore water be repelled in the face and a penetration zonecreated, through which the effective stresses are trans-ferred to the grain structure. All process technological pa-rameters of every injection lance can be monitored. Fig. 3shows the curve of pressure gradients along an individualfoam unit. The foam is produced in the foam generator, inwhich air and liquid foaming agent are mixed.

The optimal curve of the pressure gradient depends onthe geometry of the foam generator, the filling of the baffle,the product properties, the concentration and the flow ve-locities. High pressure losses can indicate contamination orblockages. Flow losses in the foam line indicate increasedviscosity of the foam, or can also be due to blockages [2] [4].In order to provide controlled, active face support withfoam, the following key indicators are essential:– The support pressure in the excavation chamber com-

municates with the foam injection pressure. – The foam injection pressure of a rotating injection point

in the cutting wheel shows a sine-shaped curve.

Alarmwerte, Leistungsbewertungen und andere Analysendirekt auf den jeweiligen Standort der Maschine oder desEreignisses bezogen werden.

3.3 Alarmfunktion

Die gleichzeitige Speicherung und Referenzierung vonSoll- und Istwerten ermöglicht eine automatisierte Alarm-funktion. Durch die direkte Integration der Daten in derDatenbank kann für jede Über- oder Unterschreitung vonSollwerten ein Auslöser für die Alarmierung beliebigerEmpfänger konfiguriert werden. Darüber hinaus könnenAlarmwerte auch in der eingebauten Karte dargestellt wer-den, um die Orientierung zu vereinfachen.

Dadurch können mögliche erkannte Störfälle inEchtzeit an die verantwortlichen Personen gemeldet wer-den, sodass erforderliche Maßnahmen verzögerungsfreiergriffen werden können. Viele Probleme können durchdas ermöglichte rasche Eingreifen bereits von vornhereinverhindert werden.

3.4 Werkzeugmanagement und digitales Baugrundmodell

Wichtig für die prozessbezogene Datenanalyse sind Einga-bewerte über das Management von Interventionen zurWartung und zum Austausch der Schneidwerkzeuge.Durch einen interaktiven Eingabedialog kann das War-tungsteam alle Informationen zum Verschleißbild, zumWerkzeugwechsel und zu weiteren Beobachtungen bei derIntervention erfassen. Eine automatische Inventur derWerkzeuge ermöglicht es dabei, den Lebenszyklus jedesWerkzeugs zu überwachen.

Durch eine Korrelation der Wartungsinformationenmit dem digitalen Baugrundmodell können intelligenteDatenanalysewerkzeuge dazu eingesetzt werden, den Ein-fluss bestimmter Baugrundarten, Werkzeugtypen oder garder Schildsteuerung auf das Verschleißverhalten zu unter-suchen.

Sind die Hauptgründe für den Werkzeugverschleißerkannt und kann die Lebensdauer der Werkzeuge besservorhergesagt werden, können dann die Wartungsintervalleoptimiert und das Risiko ungeplanter Stillstände reduziertwerden.

3.5 Schichtprotokolle

Der Faktor Mensch stellt den letzten Datenblock für dieprofessionelle Vortriebanalyse dar. Durch eine geschickteKombination inhärenter Informationen über verschiedeneEreignisse mit manuell eingegebenen Daten sowie einerNachhaltung der Stillstandszeiten im System können alleProzesse im Schildvortrieb auf ihre Zeit- und Kostenstruk-tur hin untersucht werden.

Durch leistungsfähige Data-Mining-Werkzeuge kanndie Software Gründe dafür herausfinden, warum eineSchicht leistungsfähiger als eine andere ist oder welche Pa-rameter einen positiven Einfluss auf die Vortriebsleistunghaben. Der integrative Charakter der Datenhaltung unddie gemeinsame räumliche und zeitliche Referenzierungder Daten helfen dabei, unbekannte Zusammenhänge zuerkennen und bieten Einblick in versteckte Mechanismenim Prozess.



– The pressure losses in the foam generator and the foaminjection pipeline correspond to typical values from ex-perience depending on the quantities of air and liquidflowing through.

From these key parameters, the typical sources of inter-ruptions can be derived from the measured data: – If the pressure losses are too low (in the generator and in

the foam pipeline), this indicates inadequate foam qual-ity; the air and liquid are not forming a stable, viscousfoam.

– If the pressure losses are too high, this indicates block-ages.

– Incorrect correlation between foam pressure and sup-port pressure indicates insufficient active support.

4.2 Active density control of soil in the excavation chamber

The measured results of the foam parameters are used byintegrated calculation algorithms for the verification ofsoil density in the excavation chamber and to check the in-jection quantities. As shown in Fig. 4, the density can bedetermined from the advance rate (Qin), the quantity ofconditioning agent added (Qconditioner) and the quantitypumped by the screw conveyor (Qout). The more foam issuccessfully injected into the grain structure, the more thedensity of the soil in the excavation chamber is reduced. Itshould be noted that the risk of separation and settlementincreases with decreasing density of the foam-soil mixture;foam addition must be carefully dosed. All sensor data forthe mass balance is recorded in real time and used for fur-ther calculations. The purpose is to get the soil into an op-timal state of consistency, but simultaneously also reducethe addition of conditioning agent to a reasonable eco-nomic magnitude. Density ranges of the soil in the excava-tion chamber between 1.4 and 1.6 t/m³ have proved suc-cessful.

4.3 Performance analysis through correlations

One example of a correlation-based performance analysisis the specific energy consumption, which can be correlat-ed with the torque, the thrust force and the soil condition-ing (Fig. 5). Based on the mechanisms described in Sec-

4 Anwendungsbeispiele4.1 Aktive Stützdruckkontrolle mit Schaum

Der Erfolg der Ortsbruststützung hängt maßgeblich von derSchauminjektion ab. Nur bei ausreichender Schaumquali-tät wird das Porenwasser an der Ortsbrust verdrängt und ei-ne Penetrationszone erzeugt, über die effektive Spannun-gen auf das Korngerüst übertragen werden. Prozesstech-nisch lassen sich sämtliche Parameter jeder Schaumlanzeüberwachen. Bild 3 zeigt den Verlauf des Druckgradientenentlang einer einzelnen Schaumeinheit. Die Schaumerzeu-gung erfolgt im Schaumgenerator, in dem Luft und dieschaumerzeugende Flüssigkeit verwirbelt werden.

Der optimale Druckgradientenverlauf, hängt von derGeometrie des Schaumgenerators, der Störkörperfüllung,den Produkteigenschaften, der Konzentration und denStrömungsgeschwindigkeiten ab. Hohe Druckverlustekönnen auf Verunreinigungen und Verstopfungen hinwei-sen. Die Strömungsverluste in den Leitungen zeigen eineerhöhte Viskosität des Schaums oder ebenfalls Verstop-fungen an [2] [4]. Für eine kontrollierte, aktive Ortsbrust-stützung mit Schaum sind die folgenden Schlüsselindika-toren essentiell:– Der Stützdruck in der Abbaukammer kommuniziert mit

dem Schauminjektionsdruck. – Der Schauminjektionsdruck einer rotierenden Injek -

tionsstelle im Schneidrad weist einen sinusförmigenKurvenverlauf auf.

– Die Druckverluste im Schaumgenerator und der Schau-minjektionsleitung entsprechen den typischen Erfah-rungswerten in Abhängigkeit der Durchflussmengen vonLuft und Liquid.

Basierend auf diesen Schlüsselparametern lassen sich die typischen Fehlerquellen aus den Messdaten ablei-ten: – Zu niedrige Druckverluste (im Generator sowie in der

Schaumleitung) weisen auf mangelhafte Schaumqualitäthin; Luft und Liquid bilden keinen stabilen, viskosenSchaum.

– Zu hohe Druckverluste weisen auf Verstopfungen hin.– Eine mangelnde Korrelation zwischen Schaumdruck

und Stützdruck weist auf eine ungenügende aktive Stüt-zung hin.

Liquid

Air

Tunn

el F

ace

gniniM daehkluBChamber

Foam Generator

Δp foam generator

Δp foam line

Confinement pressureConfinement pressurePres

sure

Fig. 3. Active face support with foam,from [4]Bild 3. Aktive Ortsbruststützung mitSchaum, nach [4]



tions 4.1 and 4.2, the quality of the soil conditioning canbe determined with the torque and the thrust force. Thisenables conclusions about the soil properties, the possibleadvance rate and the wear to be expected.

With the overall data quantity of the data warehouse,these analyses can also even be assigned to individual per-sonnel shifts or geotechnical conditions so the project per-formance can be recorded and analysed in real time.

5 Summary and outlook

The implementation of a computer-based data manage-ment system enables the computer analysis of the mecha-nised tunnelling process in all aspects and makes it possi-ble to gain knowledge about its mechanisms from the pro-ject itself and distribute the results to all involved parties

4.2 Aktive Dichtekontrolle des Bodens in der Abbaukammer

Die Messergebnisse der Schaumparameter werden durchintegrierte Berechnungsalgorithmen zur Verifizierung derBodendichte in der Abbaukammer und zur Überprüfungder Injektionsmengen verwendet. Gemäß Bild 4 lässt sich die Dichte aus der Vorschubgeschwindigekeit (Qin),der Menge der zugeführten Konditionierungsstoffe (Qconditioner) und der Fördermenge des Schneckenförde-rers (Qout) ermitteln. Je mehr Schaum erfolgreich in dasKorngerüst injiziert wird, umso stärker reduziert sich dieDichte des Bodens in der Abbaukammer. Zu beachten ist,dass sich mit abnehmender Dichte des Schaum-Bodenge-misches das Entmischungs- oder Sedimentationsrisiko er-höht. Die Schaumzugabe muss folglich sorgfältig dosierterfolgen. Sämtliche Sensordaten der Massenbilanz wer-

Target: Density reduction

Qtheoretical = A * v

Qpore water, in

Qpore water, outQconditioner

Qout

Qout = A * v + Qcond + Δpw

Qout > Qin Density decreasing

Qout < Qin Density increasing

Active density control

Fig. 4. Active density control in the excavation chamberBild 4. Aktive Dichtekontrolle in der Abbaukammer

Fig. 5. Dashboard in PROCON II for the analysis of advance performanceBild 5. Dashboard in PROCON II zur Analyse der Vortriebsleistung



in real time. Deviations from the ideal situation are de-tected and the necessary notifications are sent at an earlystage, so that countermeasures can be introduced in goodtime. Evaluation of the key interactions between the tun-nel boring machine and the ground reduces risk and as-sists in the optimisation of the process. With the use ofquantity and price lists agreed between the partners, thecost structures of the project can also be displayed.

Knowledge-based methods are used in order to learnfrom current and past projects and can thus be used to op-timise planned projects at a very early stage. The three ex-amples have demonstrated how web-based process con-trolling can be used to monitor, control and optimise keyprocesses on an earth pressure shield drive.

The future development of unified data managementwill include the introduction of further modules such asthe automatic production of numerical calculation models[5], which can be used to calculate settlements, stabilityand similar.

References

[1] Hartmann, D., Lehner, K., Mittrup, I., Oberste-Ufer, K.,Schubert, W., Radoncic, N., Wingmann, J., Grossauer, K.:Computer Support for the Design of Underground Structures.In Beer (ed.): Technology Innovations in Underground Con-structions, pp. 31–50. Taylor & Francis, 2009.

[2] Maidl, B., Herrenknecht, M., Maidl, U., Wehrmeyer, G.:Mechanised Shield Tunnelling. 2nd Ed. Berlin: Ernst &Sohn, 2011.

[3] Maidl, U.: Systemverhalten und Prozessoptimierung beimErddruckschild. Geomechanik und Tunnelbau 1 (2008), No.3, p. 229–235.

[4] Maidl, U., Cordes, H.: Active Earth Pressure Control withFoam. In: (Re)Claiming the Underground Space, Proceedingsof the ITA World Tunnelling Congress. Rotterdam: Balkema,2003.

[5] Stascheit, J., Nagel, F., Meschke, G., Stavropoulou, M., Ex-adaktylos, G.: An Automatic Modeller for Finite ElementSimulations of Shield Tunnelling. In: Computional Modellingin Tunnelling (EURO:TUN 2007). Vienna, 2007.

Dr.-Ing. Janosch Stascheitmtc – Maidl Tunnelconsultants GmbH & Co. KGFuldastraße 1147051 [email protected]

Dr.-Ing. Ulrich Maidlmtc – Maidl Tunnelconsultants GmbH & Co. KGFuldastraße 1147051 [email protected]

den in Echtzeit erfasst und für die weiteren Berechnungengenutzt. Ziel ist es, den Boden in den optimalen Konsis-tenzzustand zu überführen, gleichzeitig aber auch dieKonditionierungsstoffzugabe auf ein wirtschaftlich ver-nünftiges Maß zu reduzieren. Bewährt haben sich Dichte-bereiche des Bodens in der Abbaukammer zwischen 1,4und und 1,6 t/m³.

4.3 Leistungsanalyse durch Korrelationen

Als Beispiel für eine korrelationsbasierte Leistungsanalysekann der spezifische Energieverbrauch herangezogen wer-den, der mit dem Drehmoment, der Anpresskraft und derBodenkonditionierung korreliert werden kann (Bild 5).Basierend auf den in den Abschnitten 4.1 und 4.2 vorge-stellten Mechanismen kann die Qualität der Bodenkondi-tionierung nun direkt durch die Korrelation mit demDrehmoment und der Vortriebskraft ermittelt werden. Da-durch lassen sich Rückschlüsse auf die Baugrundeigen-schaften, die mögliche Vortriebsleistung und den zu er-wartenden Verschleiß ziehen.

Mit dem Gesamtdatenbestand des webbasierten DataWarehouse können diese Analysen zusätzlich sogar einzel-nen Personalschichten oder geotechnischen Bedingungenzugeordnet werden, sodass die Projektleistung in Echtzeiterfasst und analysiert werden kann.

5 Zusammenfassung und Ausblick

Die Implementierung eines rechnergestützten Datenma-nagementsystems ermöglicht die Computeranalyse desSchildvortriebsprozesses in allen Aspekten und erlaubt es,aus dem Projekt selbst Wissen über seine Mechanismen zuerwerben und in Echtzeit an alle Beteiligten zu verteilen.Abweichungen vom Sollzustand werden erkannt und dieerforderlichen Benachrichtigungen in einem frühen Stadi-um automatisch verschickt, sodass rechtzeitig Gegenmaß-nahmen eingeleitet werden können. Eine Bewertung vonSchlüsselinteraktionen zwischen der Vortriebsmaschineund dem Baugrund reduziert das Risiko und hilft bei derOptimierung aller Prozesse. Durch die Verwendung part-nerschaftlich vereinbarter Mengen- und Preislisten kön-nen überdies die Kostenstrukturen des Projekts abgebildetwerden.

Wissensbasierte Methoden werden eingesetzt, um ausaktuellen und vergangenen Projekten zu lernen und soneue Projekte bereits in einem sehr frühen Stadium zu op-timieren. In drei Beispielen wurde gezeigt, wie das web -basierte Prozesscontrolling eingesetzt werden kann, umSchlüsselprozesse im Erddruckschild-Vortrieb zu über -wachen, zu steuern und zu optimieren.

Die zukünftige Entwicklung des vereinheitlichten Da-tenmanagements wird die Einbindung weiterer Modulewie die automatisierte Erzeugung numerischer Berech-nungsmodelle [5] umfassen, mit denen Setzungsberech-nungen, Stabilitätsanalysen und ähnliches durchgeführtwerden können.


Topics

DOI: 10.1002/geot.201310015

This paper introduces a holistic product model for the interactivesimulation of shield tunnelling machines. The underlying productmodel is based on the Building Information Modelling methodolo-gy and uses the Industry Foundation Classes to classify andstructure the captured data. Data from design, measurementsand numerical simulation components obtained from four sub-models (ground, tunnel, tunnel boring machine and building) arestored, classified and organized on commonly available servers.The very heterogeneous data structures found in each individualmodel are adjusted in advance using georeferencing, transforma-tion or other suitable methods to increase compatibility. In partic-ular, this article describes the methodological design of an inter-active product model for mechanized tunnelling in soft soil, in-cluding its sub-models. Performance is demonstrated by a casestudy using data from the Wehrhahn-Line subway constructionsite in Düsseldorf, Germany. Here, the focus is on the verificationof the product model and its use in the numerical simulations. Theresearch presented is a central component of the CollaborativeResearch Center SFB 837 “Interaction Modelling in MechanizedTunnelling” at the Ruhr University, Bochum.

1 Introduction

The design and construction phases in mechanized tun-nelling are subject to a variety of interrelated conditions.This applies to the actual structure of tunnel linings aswell as to the surrounding soil, including the annular gapfilling, as found in the typical final state of soil-structureinteractions. The coordinated interaction of machine op-erations, surveying, logistics and preliminary investigationprocesses is very important, especially during such diffi-cult situations such as the removal of obstructions or tun-nelling under sensitive structures. In all processes, both inthe design and in the construction stages, large amountsof data are generated, including data from the design stage(for example from the alignment), data obtained frommeasurements made during the advance, data gathered byprevious site investigation or other protocols. To be able touse and analyse this diverse data in a consistent manner, astructured compilation of all data stored on commonly ac-cessible servers must first be defined and implemented.

To ensure a high level of quality and safe construc-tion, it is recommended to use numerical simulations [1].Performing these simulations, however, can be a time-con-

Zur interaktiven Simulation von maschinellen Schildvortriebenwird ein ganzheitliches Produktmodell vorgestellt. Das Produkt-modell basiert auf der Methode des Building Information Mode-lings und nutzt zur Strukturierung der Daten das Datenaustausch-format Industry Foundation Classes (IFC). Zentral gespeicherteDaten aus Planung, Messungen oder numerischen Simulationenvon insgesamt vier Untermodellen (Baugrund, Tunnel, Tunnelvor-triebsmaschine und Bebauung) werden klassifiziert und wieder-um zur weiteren Nutzung organisiert. Die sehr heterogene Daten-struktur der einzelnen Untermodelle wird im Vorfeld durch Geore-ferenzierung, Transformation und andere geeignete Verfahrenangepasst. Der Beitrag beschreibt den methodischen Aufbau desinteraktiven Produktmodells für den Tunnelvortrieb im Lockerge-stein einschließlich seiner Untermodelle. Die Leistungsfähigkeitzeigt ein Fallbeispiel mit Daten der U-Bahnbaustelle Wehrhahn-Linie in Düsseldorf. Hierbei liegt der Schwerpunkt auf der Verifi-zierung des Produktmodells sowie auf verknüpften Simulationenund übergreifenden Analysen. Die Forschungsarbeiten sind zen-traler Bestandteil des Sonderforschungsbereichs SFB 837 „Inter-aktionsmodelle für den maschinellen Tunnelbau“ an der Ruhr-Universität Bochum.

1 Einleitung

Planung und Bau maschinell aufgefahrener Tunnel sind ei-ner Vielzahl von miteinander verknüpften Randbedingun-gen unterworfen. Das gilt zunächst für die eigentliche Bau-struktur aus Tübbingring und umschließender Baugrund-bettung mit Ringspaltfüllung, wie sie auch bei anderenTragwerken im Sinne einer Boden-Bauwerk-Interaktion imEndzustand der Nutzung auftreten. Ein abgestimmtes Zu-sammenwirken von Maschinentechnik, Vermessung, Lo-gistik und ggf. Vorauserkundungsverfahren ist gerade beischwierigen Ereignissen wie der Bergung von Hindernissenoder der Unterfahrung setzungsempfind licher Bauwerkeunerlässlich. Bei allen Prozessen, sowohl in der Planungals auch in der Ausführung, werden große Mengen unter-schiedlicher Arten von Daten erzeugt. Diese umfassen Pla-nungsdaten (z. B. Trassierung), Messdaten während desVortriebs, aber auch Daten aus Vorerkundungen und Pro-tokollen. Um die Vielfalt der Daten vereinheitlicht betrach-ten und analysieren zu können, ist zunächst eine zentraleund strukturierte Zusammenstellung sinnvoll.

Für den maschinellen Tunnelbau wird darüber hinausempfohlen, zur Qualitätssicherung und zur Gewährleis-

An interaction platform for mechanized tunnellingApplication on the Wehrhahn-Line in Düsseldorf (Germany)

Eine Interaktionsplattform für maschinelleTunnelvortriebeAnwendung am Beispiel der Wehrhahn-Linie in Düsseldorf

Steffen Schindler Mario GalliFelix Hegemann Karlheinz LehnerAbdullah Alsahly Christian KochThomas Barciaga


S. Schindler/F. Hegemann/A. Alsahly/T. Barciaga/M. Galli/K. Lehner/Ch. Koch · An interaction platform for mechanized tunnelling

suming task, as the information needed to properly modela realistic tunnelling process is usually present in a differ-ent file format (e.g. spread sheets). For this reason, it israre to find project data from the design and constructionphases presented side by side. With an integrated productmodel, it is possible to implement such central data man-agement and to collect data in a consistent, classified andstructured manner. Furthermore, software applicationsare thus able to obtain needed data automatically and effi-ciently from the underlying product model. Also, resultsfrom the numerical simulation of similar structural modelscan be provided by the central product model. A furtheradvantage of an integrated product model is the ability toprovide a 4-dimensional visualization of the relationshipsbetween stored data through mapping in space and time.

In this paper, the development of an integrated prod-uct model with the described properties is presented. Theoverall product model consists of several sub-models,which represent the various data sources of a tunnellingproject. In order to validate the presented approach, aproduct model is presented with data from a referenceproject, the Wehrhahn-Line in Düsseldorf, Germany,demonstrating possible interactions. The methodologypresented in this paper is illustrated for shield tunnellingin soil.

2 Data management methods in construction2.1 Existing data management systems

Currently, various data management systems exist that areused by construction companies, engineering firms andequipment manufacturers to manage data for large con-struction projects, usually with the goal of controlling pro-ject costs. The focus of these systems is mainly to effi-ciently structure the large amount of raw data generatedduring a tunnelling process. The aim of the research de-scribed in this paper, however, is to create and implementan integrated and interactive information platform basedon a robust product model, including an integrated visual-ization component with interfaces for external simulationsoftware.

2.2 Information technology basis for product modelling

The modelling of the data structures for infrastructure hasalready been studied extensively, with the Building Infor-mation Modelling (BIM) concept having been found suit-able to provide a methodology for defining product mod-els in construction. BIM provides a semantically coherentexchange of information and models in standardized ex-change formats, such as the Industry Foundation Classes(IFC) [2]. The use of standardized exchange formats is par-ticularly helpful during the design phase, when many pro-ject participants must work simultaneously on different as-pects of the tunnelling project. Information can then beexchanged quickly and uniformly. The visualization capa-bilities using BIM also enable complex relationships to beeasily identified.

IFC is based on an object-oriented data model and istherefore adaptable and easily extended. Using IFC, ob-jects to be modelled are first organized into spatial re-gions, such as building floors, before other elements are

tung einer sicheren Bauausführung numerische Simulatio-nen zu nutzen [1]. Die Konfiguration dieser numerischenSimulationen ist allerdings bisher sehr zeitaufwändig, dabenötigte Informationen für die Modellierung realitätsna-her Randbedingungen in der Regel in unterschiedlichenDateiformaten in Tabellen oder Dokumenten vorliegen.Eine Verknüpfung mit realen Projektdaten aus Planungund Ausführung findet daher nur selten statt. Mit einemintegrierten Produktmodell ist es möglich, solch ein zen-trales Datenmanagement zu fördern und Daten einheit-lich zu sammeln, zu klassifizieren und zu strukturieren.Ferner sind so Softwareanwendungen in der Lage, mitdem Produktmodell automatisch die benötigten Datenschnell und effizient zur Modellgenerierung zu beziehen.Auch Ergebnisse anderer numerischer Simulation, z. B.von äquivalenten Bauwerksmodellen, können über dasProduktmodell bereitgestellt werden. Ein weiterer Vorteileines integrierten Produktmodells ist die einfache vier -dimensionale Visualisierung der Zusammenhänge von Da-ten durch eine Abbildung in Raum und Zeit.

Im Beitrag wird die Entwicklung eines integriertenProduktmodells mit den beschriebenen Eigenschaftenvorgestellt. Das Produktmodell besteht aus mehreren Un-termodellen, welche die unterschiedlichen Datenquelleneines Tunnelprojekts repräsentieren. Um den vorgestelltenAnsatz zu validieren, wird ein Produktmodell mit Dateneines Referenzprojekts, der Wehrhahn-Linie in Düssel-dorf, aufgebaut und mögliche Interaktionen vorgestellt.Die in diesem Beitrag vorgestellte Methodik wird am Bei-spiel maschineller Schildvortriebe im Lockergestein erläu-tert.

2 Methoden zum Datenmanagement im Bauwesen2.1 Existierende Datenmanagementsysteme

Aktuell existieren verschiedene Datenmanagementsyste-me, die zur Verwaltung von Daten bei großen Bauprojek-ten von bauausführenden Unternehmen, Ingenieurbürosoder Maschinenherstellern eingesetzt werden, mit demZiel, ein baubegleitendes Prozesscontrolling betreiben zukönnen. Schwerpunkt dieser Systeme ist vor allem dieStrukturierung der großen Menge an Rohdaten verschie-dener Datenformate, die während eines Tunnelvortriebs-prozesses generiert werden. Das Ziel der Forschung in diesem Beitrag ist hingegen eine ganzheitliche und inter-aktive Datenplattform in Form eines Produktmodells miteiner integrierten Visualisierung zu entwickeln, die zusätz-lich über eine Schnittstelle zur automatischen Bereitstel-lung von Daten für Simulationen verfügt.

2.2 Informatische Grundlagen zur Produktmodellierung

Die Modellierung der Daten bei Infrastrukturbauwerkenwurde bereits weitläufig untersucht. Dabei hat sich vor al-lem das Building Information Modelling Konzept (BIM)als geeignet erwiesen, das eine Methodik zur Produktmo-dellierung im Bauwesen bereitstellt. BIM bietet einen se-mantisch kohärenten Austausch von Informationen undModellen über standardisierte Austauschformate wie dieIndustry Foundation Classes (IFC) [2]. Die Verwendungstandardisierter Austauschformate ist besonders hilfreichin der Planungsphase, wenn viele Projektbeteiligte zeit-



created and linked to the object. An element basically con-sists of a visualization component and a set of semantic in-formation appended to the element. IFC was originally de-veloped for the modelling of buildings, but has now beenextended to other fields of application in civil engineering,including bridges and roads [3] [4] [5] [6] [7]. The model-ling of tunnels in shield tunnelling is presented in [8] withan IFC-based multi-scale product model. This productmodel provides a minimum number of new IFC classes re-quired to represent tunnels and also makes it possible tomodel various rooms, such as work spaces, to define thecomplete interior of a tunnel in a hierarchical manner.

To model large-scale infrastructure, the GeographicInformation System (GIS) can be used. However, the fo-cus of GIS is aimed more at the management of spatialand geographical data, rather than at the modelling of in-dividual structural details as with BIM. GIS uses the OpenGeospatial Consortium (OGC) standard GML as a datamodel. Since 2012, the extension of CityGML [9] has beenaccepted as an international standard by the OGC.CityGML was developed for the storage and interoperableaccess of 3-dimensional models of cities and includes geo-metrical, semantic and topological aspects [10]. Tech-niques to combine IFC and CityGML are presented in [11]and [12].

The approaches described mainly deal with the mod-elling of building structures and the land-use planning ofbuilding construction. A methodology for modelling soiland underground structures is presented in [13]. A distinc-tion is made between geological features, such as layers ofsoil or groundwater, and underground structures, such assewers or tunnels. The model, however, is designed exclu-sively for the final product.

To support the planning of urban and building mod-els, a new DFG research group 1546 “Computer-AidedCollaborative Subway Track Planning in Multi-Scale 3DCity and Building Models” was established. This group isconcerned with collaborative planning, data managementand the visualization of urban building projects, in partic-ular the alignment of tunnels [14] [15]. To validate the de-veloped concepts, an existing tunnel in Munich is used asa reference. The tunnel is represented at various levels ofdetail, which can be used simultaneously by many design-ers. The theoretical basis is provided by specially devel-oped consistency preservation methods [16] [17]. Themanagement of measured data, such as settlements or ma-chine data, or the modelling of the tunnelling machine it-self is not provided.

2.3 Problem definition

Existing data management systems are designed for thestorage of raw data that accumulates in the course of tun-nelling projects. Because the data is mainly given in theform of simple documents and spread sheets, this makesthem difficult to interpret without an adequate 3- or 4-di-mensional visualization component. Furthermore, noholistic and comprehensive view of the constructionprocesses in combination with the various measurementdata and simulations is usually provided.

In a tunnelling project, however, it is of great use tohave a consistent and complete data management strategy

gleich an verschiedenen Themenbereichen arbeiten. Infor-mationen können dann einheitlich und schnell ausge-tauscht werden. Durch Visualisierungsmöglichkeiten mit-hilfe von BIM können zudem komplexe Zusammenhängeeinfacher identifiziert werden.

IFC basiert auf einem objektorientierten Datenmo-dell und ist dadurch variabel und leicht erweiterbar. MitIFC werden zu modellierende Objekte zunächst in räum -liche Bereiche wie beispielsweise ein Gebäudestockwerkeingeteilt, bevor dann die weiteren Elemente des Bereichsmodelliert und diesem zugeordnet werden. Ein Elementbesteht zum einen aus einer Visualisierungskomponenteund zum anderen aus semantischen Informationen, die andas Element angehängt sind. Ursprünglich wurde IFC fürdie Modellierung von Gebäuden entwickelt, ist aber mitt-lerweile für weitere Anwendungsfelder im Ingenieurbauwie Brücken und Straßen erweitert worden [3] [4] [5] [6][7]. Die Modellierung von Tunneln im Schildvortrieb wirdin [8] über ein IFC-basiertes Multiskalen-Produktmodellvorgestellt. Dieses Produktmodell liefert eine minimaleAnzahl von benötigten neuen IFC-Klassen für die Model-lierung von Tunneln und bietet zudem die Möglichkeit, dieverschiedenen Räume, z. B. den Arbeitsraum, als ein Teildes Innenraums des Tunnels hierarchisch abzubilden.

Für die datentechnische Modellierung von großenräumlichen Infrastrukturen wird das Geographische In-formationssystem (GIS) verwendet. Der Fokus von GISliegt dabei mehr auf dem Management von räumlichenund geographischen Daten als auf der Modellierung voneinzelnen Konstruktionen im Detail wie bei BIM. GIS be-nutzt den Open Geospatial Consortium (OGC) StandardGML als Datenmodell. Seit 2012 ist die GML-Erweite-rung CityGML [9] als internationaler Standard von derOGC akzeptiert. CityGML wurde für die Speicherung undden interoperablen Zugang von dreidimensionalen Städte-modellen entwickelt und umfasst geometrische, semanti-sche und topologische Aspekte [10]. Zur Verknüpfung vonIFC und CityGML werden Ansätze in [11] und [12] vorge-stellt.

Die beschriebenen Ansätze behandeln hauptsächlichdie Modellierung von Bauwerken oder die Raumplanungim Hochbau. Eine Methodik zur Modellierung des Erd-reichs und von Untergrundstrukturen wird in [13] vorge-stellt. Hierbei wird zwischen geologischen Elementen wieBodenschichten oder Grundwasser und unterirdischenStrukturen wie Abwasserkanälen oder Tunneln unter-schieden. Das Modell ist allerdings ausschließlich auf dieModellierung des Endprodukts ausgelegt.

Zur Unterstützung der Planung von Stadt- und Bau-werksmodellen wurde die neue DFG-Forschergruppe1546 „Rechnergestützte kooperative Trassenplanung inmehrskaligen 3D-Stadt- und Bauwerksmodellen“ gegrün-det. Diese behandelt die gemeinschaftliche Planung, dasDatenmanagement und die Visualisierung von innerstäd-tischen Bauprojekten, insbesondere die Planung der Tras-sierung [14] [15]. Zur Validierung der entwickelten Kon-zepte dient eine reale Tunnelstrecke in München. DieTunnelstrecke wird hierbei in verschiedenen Detaillie-rungsgraden betrachtet, die durch unterschiedliche Planersimultan bearbeitet werden. Grundlage hierfür sind spe-ziell entwickelte Konsistenz erhaltungsmethoden [16] [17].Eine Verwaltung von Messdaten, z. B. Setzungen oder Ma-



throughout the duration of the project. The research pro-jects discussed above often consider only the design phaseor only the construction phase. Although methods formodelling soil or tunnels already exist, the modelling is of-ten based on separate models that represent only one as-pect of the tunnelling process. For the modelling and datamanagement of an entire tunnelling project, the computa-tional and interactive coupling of individual models fordifferent aspects must be possible and is therefore neces-sary.

3 Integrated product model for tunnelling3.1 Modelling data in mechanized tunnelling

Based on experience with data modelling in the construc-tion industry (see section 2.2), the BIM concept has beenapplied to develop a product model for tunnelling, takinginto account existing proposals such as [18]. To structurethe large amount of data and information created duringmechanized tunnelling, it is first necessary to classify thedata. For the development of a holistic product model,four sub-models (Figs. 1c to 1f) were defined to representthe relevant data sources, namely: the ground, the ma-chine, the tunnel and the buildings. To generate thesemodels, the standardized BIM exchange format IFC wasused (see section 2.2).

3.1.1 Ground model

The ground model mainly consists of two components:the soil layers and the groundwater sub-model (Fig. 1d).Using the results of the geotechnical investigation (in-situand laboratory tests) and existing experience from previ-ous construction works in the locality, a geological stratifi-cation of the subsoil is made and hydrogeological condi-tions in each georeferenced borehole are determined. By linear interpolation of the layer boundaries and thegroundwater levels between the individual boreholes orgroundwater monitoring points, a three-dimensional mod-el of the subsoil and a time- and position-dependentgroundwater model are created. To characterize each soillayer (corresponding to the depth and the stress state), se-mantic information, such as corresponding soil mechani-

schinendaten, und die Modellierung der Tunnelvortriebs-maschine ist nicht vorgesehen.

2.3 Problemstellung

Die existierenden Datenmanagementsysteme sind auf dieSpeicherung von anfallenden Rohdaten in Tunnelbaupro-jekten ausgelegt. Diese liegen hauptsächlich in Form vonDokumenten und Tabellen vor, wodurch sie ohne eineausreichende drei- bzw. vierdimensionale Visualisierungschwer zu interpretieren sind. Des Weiteren ist eine ganz-heitliche und übergreifende Betrachtung der Bauprozesseund der verschiedenen Messdaten in Verbindung mit Si-mulationen nicht vorgesehen.

In einem Tunnelbauprojekt ist jedoch eine konsisten-te und vollständige Datenverwaltung während der gesam-ten Dauer des Projekts von wesentlicher Bedeutung. Dievorgestellten Forschungen betrachten oftmals ausschließ-lich die Planungsphase oder ausschließlich die Ausfüh-rungsphase. Obwohl auch bereits Verfahren für die Mo-dellierung des Bodens oder einer Tunnelstrecke vorliegen,basiert die Modellierung auf einzelnen Modellen, die nureinen Teilaspekt des Tunnelbaus abbilden. Für die Model-lierung und Datenverwaltung eines ganzen Tunnelbaupro-jekts ist die informatische und interaktive Verknüpfungmehrerer Einzelmodelle für unterschiedliche Aspekte nö-tig.

3 Integriertes Produktmodell für den Tunnelbau3.1 Modellierung von Daten im maschinellen Tunnelbau

Basierend auf den Erfahrungen zur Datenmodellierung imBauwesen (vgl. Abschnitt 2.2) wird zur Entwicklung einesProduktmodells für den Tunnelbau das BIM-Konzept un-ter Berücksichtigung existierender Vorschläge wie [18] an-gewendet. Um die komplexe Daten- und Informations-menge im maschinellen Tunnelbau während Planung undVortrieb zu strukturieren, ist es notwendig, diese zu klassi-fizieren. Dafür wurden im Zuge der Entwicklung des ganz-heitlichen Produktmodells vier Untermodelle (Bild 1c bis1f) definiert, die die maßgebenden Datenquellen im ma-schinellen Tunnelbau repräsentieren: Baugrund, Tunnel,Maschine und Bebauung. Zur Erzeugung dieser Modellewurde das standardisierte BIM Austauschformat IFC ver-wendet (vgl. Abschnitt 2.2).

3.1.1 Baugrundmodell

Das Baugrundmodell besteht im Wesentlichen aus zweiKomponenten: Baugrund und Grundwasser (Bild 1d). Un-ter Verwendung der Baugrunderkundungen (Feld- und La-boruntersuchungen) und bereits vorliegenden örtlichenErfahrungswerten vorheriger Baumaßnahmen werden ei-ne ingenieurgeologische Schichteinteilung des Baugrundsund die Angabe der hydrogeologischen Randbedingungenin jedem georeferenzierten Bohrloch vorgenommen.Durch eine lineare Interpolation der Schichtgrenzen undder Grundwasserstände zwischen den einzelnen Bohr -löchern bzw. Grundwassermessstellen werden ein drei -dimensionales Baugrundmodell und ein zeit- und positi-onsabhängiges Grundwassermodell erstellt. Zur Charakte-risierung werden jeder Baugrundschicht (entsprechend

Fig. 1. Concept of the holistic product model with its various sub-modelsBild 1. Konzept des ganzheitlichen Produktmodells mitseinen verschiedenen Untermodellen



cal and hydrological parameters, are assigned to each layer. The raw data of the drilling profiles and the resultsof the geotechnical investigation are also integrated intothe product model.

3.1.2 Machine model

The model of the tunnel boring machine (TBM model) isspatially divided into the TBM head and backup system(Fig. 1e) [5]. The dimensions of the machine can be ad-justed by appropriate scaling corresponding to projectconstraints. The spatial areas are defined by modelled ma-chine elements, to which modelling information in theform of semantic information (for example data related tothe excavation diameter of the cutting wheel) can be at-tached. In addition, data measured during the advance ofthe TBM can be associated with individual elements.Since the TBM is loaded dependent on time, the mea-sured data can be assigned precisely to elements recordedat the correct time. The visualization of the TBM is posi-tioned just before the end of the tunnel.

3.1.3 Tunnel model

The tunnel model, defined as a polygonal curve, was de-veloped in cooperation with the Technical University ofMunich [19]. In general, a single polygonal section of thecurve represents a ring of the tunnel. The tunnel can beloaded in a time-dependent manner and at different stagesof the construction process, that is, all rings that have beeninstalled at a selected date will be extracted. The extractedtunnel consists of two parts: the tunnel lining and the an-nular gap (Fig. 1f). Both parts have a visualization and asemantic component as represented by the IFC descrip-tion. The visualization is generated dynamically based onthe number of segments retrieved from the database. Thetunnel lining is divided into individual rings with their re-spective segments. Semantic information is provided foreach ring, such as the outer diameter, the segment thick-ness, the date of installation or possible downtimes. Theannular gap is also recorded by each ring and has seman-tic information such as the composition of the mortar andthe grout volume.

3.1.4 Building model

The building model includes the above-ground buildingsin the area influenced by the tunnel (Fig. 1c). These build-ings, especially their stiffness and mass, have a great influ-ence on the size and shape of the settlement trough. Theseand other information, such as indicators to describe vul-nerability to subsidence, will be integrated into the devel-opment model, where a link is provided between buildingsand indicators. For small buildings, visualizations can bemade manually using input data; for larger structures, au-tomated methods using, for example, laser scans by aerialsurveying are meaningful. Additional information such asarea and position can easily be determined from the visu-alization.

Apart from these four sub-models, the product modelmay also include other data such as subsidence (Figs. 1aand 1b). Settlements are usually given in the form of point

der Tiefenlage und des Spannungszustands) semantischeInformationen, wie die korrespondierenden bodenmecha-nischen und hydrologischen Materialparameter zugewie-sen. Die Rohdaten der Bohrprofile und die Ergebnisse derbodenmechanischen Baugrunduntersuchungen werdenzusätzlich im Produktmodell integriert.

3.1.2 Maschinenmodell

Das Modell der Tunnelvortriebsmaschine (TVM Modell)ist räumlich unterteilt in den TVM Kopf und den Nach-läufer (Bild 1e) [5]. Die Abmessungen der Maschine kön-nen über eine entsprechende Skalierung an die jeweiligenProjektrandbedingungen angepasst werden. Die räumli-chen Bereiche werden durch Maschinenelemente defi-niert, an denen Modellinformationen in Form von seman-tischen Daten hängen wie beispielsweise der Abbaudurch-messer des Schneidrads. Zusätzlich können Messdatenmit einzelnen Elementen verknüpft werden, die währenddes Vortriebs gesammelt wurden. Da die Maschine zeitab-hängig geladen wird, werden genau die Messdaten mit denjeweiligen Elementen verknüpft, die zu dem Ladezeit-punkt aufgenommen wurden. Die Visualisierung der Ma-schine wird genau vor das Ende des Tunnels gesetzt.

3.1.3 Tunnelmodell

Das Tunnelmodell wurde in Kooperation mit der Techni-schen Universität München entwickelt [19]. Es schließtsich unmittelbar an das Modell der Maschine an. Der Tun-nel steht hierbei als Polygonzug zur Verfügung. In der Re-gel repräsentiert ein Abschnitt des Polygonzugs einenRing. Der Tunnel kann zeitabgängig und in verschiedenenStadien des Bauablaufs geladen werden d. h. alle Ringe,die bis zum ausgewählten Zeitpunkt gebaut sind, werdenextrahiert. Der extrahierte Tunnel besteht aus zwei Teilen:dem Tunnelausbau und dem Ringspalt (Bild 1f). Beide be-sitzen durch die IFC ebenfalls eine Visualisierungs- undeine semantische Komponente. Die Visualisierung wirdbasierend auf der Anzahl der ausgelesenen Segmente dy-namisch generiert. Der Tunnelausbau ist in einzelne Ringemit seinen jeweiligen Segmenten gegliedert. Für jedenRing werden semantische Informationen bereitgestellt wiez. B. Außendurchmesser, Tübbingdicke, aber auch Anga-ben wie Einbaudatum oder Stillstandszeiten. Der Ring-spalt ist ebenfalls pro Ring gegliedert und besitzt semanti-sche Informationen wie die Zusammensetzung des Ring-spaltmörtels und des Mörtelvolumens.

3.1.4 Bebauungsmodell

Das Bebauungsmodell umfasst die oberirdischen Bauwer-ke im Einflussbereich der Tunnelstrecke (Bild 1c). DieBauwerke, vor allem ihre Steifigkeit und ihre Masse, ha-ben einen großen Einfluss auf Größe und Form der Set-zungsmulde. Diese und noch weitere Informationen, z. B.Kennzahlen des Bauwerks zur Beschreibung der Vulnera-bilität gegenüber Setzungen, werden im Bebauungsmodellintegriert, wobei eine Verknüpfung der jeweiligen Kenn-werte mit den entsprechenden Bauwerken stattfindet. ZurGenerierung einer Visualisierung der Bauwerke kann beikleineren Umfängen auf manuelle Aufmaßdaten zurück-


data, that is, time-dependent measurements always as-signed to a single point. Accordingly, there are a series ofmeasurements over time for a given point, taken from var-ious sources such as terrestrial or radar measurements ornumerical simulations. In the evaluation of subsidence fora given region it is a decisive advantage to use visualiza-tion techniques.

3.2 Visualization capabilities in the product model

For the visualization of data the concept of georeferencingplays an important role because all elements to be visual-ized must be displayed in a uniform coordinate system.Unified visualization is critical to identify relationshipsand dependencies between different data sources andcomponents, for example, the time-variable relationshipbetween the position of the TBM, the current thrust pres-sure and settlements. It is difficult or impossible to detectsuch relationships from data that is only available in theform of spread sheets or documents. A high degree of in-teroperability is also provided by automatically generatedanimations that allow the representation of data over a de-fined period of time or time steps.

Various methods are suitable for the visualization ofsettlements [20]. Basically, the methods can be eitherpoint-wise or planar based. Each method, in turn, can havea variety of user-specific variations. For the presentation ofsettlements, it is advantageous to visualize the level of set-tlements by means of a colour scheme. The colour scheme

gegriffen werden. Bei größeren Umfängen sind automati-sierte Methoden, z. B. Laserscandatensätze aus Flugzeug-überflügen sinnvoll. Zusätzliche Daten wie Grundflächeund Position können so leicht aus der Visualisierung be-stimmt werden.

Abgesehen von diesen vier beschriebenen Untermo-dellen kann das Produktmodell auch noch weitere Datenwie beispielsweise Setzungen erfassen (Bild 1a und 1b).Setzungen liegen in der Regel als Punktdaten vor, d. h. dieMessungen finden zeitabhängig immer für denselbenPunkt statt. Demzufolge hat man für einen Punkt eineReihe von Mess daten über die Zeit. Diese Messdatenstammen i. d. R. aus verschiedenen Quellen, z. B. aus ter-restrischen Messungen oder aus numerischen Simulatio-nen. Bei der Aus wertung von Setzungen ist es von ent-scheidendem Vorteil, eine Visualisierung zu verwenden.

3.2 Visualisierungsmöglichkeiten im Produktmodell

Bei der Visualisierung der Daten spielt die Georeferenzie-rung eine große Rolle, da alle Elemente in einem einheit -lichen Koordinatensystem abgebildet sein müssen. Eineeinheitliche Visualisierung ist entscheidend, um Zusam-menhänge und Abhängigkeiten zwischen den verschiede-nen Datenquellen und Komponenten, z. B. zwischen derPosition der TVM, des aktuellen Vortriebsdrucks und denSetzungen zu einem gewissen Zeitpunkt, zu erkennen,darzustellen und zu interpretieren. In Form von Tabellenund Dokumenten sind solche Zusammenhänge nur

* € Prices are valid in Germany, exclusively, and subject to alterations. Prices incl. VAT. excl. shipping. 1050106_dp

Customer Service: Wiley-VCHBoschstraße 12D-69469 Weinheim

Tel. +49 (0)6201 606-400Fax +49 (0)6201 [email protected]

Ernst & SohnVerlag für Architektur und technischeWissenschaften GmbH & Co. KG

Rock Mechanics Based on an Aniso-tropic Jointed Rock Model (AJRM)

This book focuses on the fundamentals of rock mechanics as a basis for the safe and economical design and construction of tunnels, dam foundations and slopes in jointed and aniso-tropic rock. It is divided into four main parts:

– Fundamentals and models– Analysis and design methods– Exploration, testing and monitoring– Applications and case histories.

The rock mechanical models presented account for the influ-ence of discontinuities on the stressstrain behavior and the permeability of jointed rock masses.

Order online: www.ernst-und-sohn.de

Walter Wittke

Rock Mechanics Based on

an Anisotropic Jointed Rock

Model (AJRM)

2014. approx. 530 pages.

€ 149,–*

ISBN 978-3-433-03079-0

Also available as



can be project-specific and can be adjusted according tothe amount and distribution of actual or anticipated settle-ments. The step size of the gradients can be freely as-signed or correlated to the magnitude of the settlements.Settlement points can be displayed either using geometri-cal objects (such as spheres) or as a triangular mesh. Theadvantage of using geometrical shapes is the ability to il-lustrate settlements using both colour values and objectpositions simultaneously. In a triangulated mesh, on theother hand, gradients can be continuously visualized well,making the settlement behaviour easily recognizable. Bothvisualization types are compared (Fig. 2).

3.3 Automatic access to data of the product model

To access the data of a product model, an interactive plat-form has been implemented to provide a unified interfacein the form of web services for various tunnelling compo-nents. The web service processes requests from compo-

schwer bzw. gar nicht zu erkennen. Ein hohes Maß an In-teroperabilität bieten zusätzlich Animationen, welche dieDarstellung von Daten über einen definierten Zeitraumund in definierten Zeitschritten anschaulich ermöglichen.

Zur Visualisierung von Setzungen sind verschiedeneMethoden geeignet [20]. Grundsätzlich werden punktuelleund flächige Verfahren unterschieden. Jedes der Verfah-ren lässt wiederum eine Vielzahl von benutzerspezifi-schen Variationen zu. Zur Darstellung des Setzungsver-laufs ist es vorteilhaft, die Höhe der Setzungen mithilfe eines Farbschemas zu visualisieren. Das Farbschema istprojektspezifisch festzulegen und je nach Höhe bzw. Ver-teilung der auftretenden oder zu erwartenden Setzungenanzupassen. Die Schrittweite der Farbverläufe kann freigestaltet werden, auch eine variable Schrittweite im Be-reich häufiger Setzungsgrößen ist möglich. Die Setzungs-punkte können entweder mithilfe von geometrischen Ob-jekten, z. B. Kugeln, oder in einem Dreiecksnetz darge-stellt werden. Der Vorteil von geometrischen Formen istdie Möglichkeit, die Setzung sowohl farblich als auchdurch Änderung der Objektposition zu illustrieren. Bei ei-nem triangulierten Dreiecksnetz wiederum lassen sichFarbverläufe gut visualisieren, womit das flächenhafte Set-zungsverhalten einfacher interpretiert werden kann. BeideVisualisierungsmöglichkeiten sind in Bild 2 vergleichenddargestellt.

3.3 Automatischer Zugriff auf Daten des Produktmodells

Für den Zugriff auf die Daten des Produktmodells ist eineInteraktionsplattform vorgesehen. Die Interaktionsplatt-form stellt eine einheitliche Schnittstelle in Form einesWeb-Services bereit, durch den unterschiedliche Diszipli-nen Daten aus dem Produktmodell anfragen können. DerWeb-Service verarbeitet die Anfragen, liest gezielt Datenaus dem Produktmodell aus und stellt diese in kompakterForm zur Verfügung. Durch die Bereitstellung einer ein-heitlichen Schnittstelle können verschiedene Applikatio-nen, z. B. eine Datenbearbeitungssoftware oder eine belie-bige Simulation, auf den Web-Service zugreifen, um Datenabzurufen (Bild 3).

Das beschriebene System soll zudem für die automa-tische Konfiguration von numerischen Simulationsmodel-len genutzt werden können. Im maschinellen Tunnelbauwerden numerische Simulationen in der Regel mit kom-merziellen Softwareanwendungen durchgeführt. Diese se-hen i. d. R. keine standardisierte Schnittstelle zur Integra-tion von Daten im Modellkern vor. Daher werden Einga-bedateien für die verschiedenen Anwendungen generiert,mit denen das Simulationsmodell automatisch erzeugtwerden kann. Hierbei besteht das Problem, dass die ver-schiedenen erforderlichen Parameter für eine Eingabe -datei bei jeder Softwareanwendung individuell bezeichnetwerden, obwohl derselbe Parameter gemeint ist.

Um eine universelle Schnittstelle bereitstellen zu kön-nen, wird eine Ontologie benötigt, die sowohl die Bezeich-nung der individuellen Parameter in den unterschied -lichen Softwareanwendungen als auch den Ort des Para-meters im Produktmodell für ein automatisches Auslesenkennt. Somit können dem Produktmodell eine Reihe vonbenötigten Parametern für eine Simulation übergebenwerden, die dann automatisch aus dem Modell gelesen

Fig. 3. Access to data of the product model using the inter-action platformBild 3. Zugriff auf Daten des Produktmodells über die Interaktionsplattform

Fig. 2. Visualization of settlements as spheres (a) and as atriangular mesh (b)Bild 2. Visualisierung von Setzungen als Kugeln (a) und alsDreiecksnetz (b)



nents, reads the corresponding data from the productmodel and provides results in a compact form back to theuser. By defining a unified interface, various applicationsranging from data processing software to numerical simu-lations can access the web service in a general manner toretrieve data (Fig. 3).

The system described above is also used for the auto-matic configuration of numerical simulation models. Inmechanized tunnelling, numerical simulations are oftencarried out using commercial software applications. Be-cause proprietary software does not usually have open,standardized interfaces, input files for each software sys-tem can be generated individually using data from theproduct model. Based on the input file, the simulationmodel is generated. The problem is that a single physicalparameter is often described by different identificationtags in each program, making a coherent exchange of pa-rameters difficult.

In order to provide an universal interface, an ontol-ogy is required that captures both the names of individualparameters in a specific software application and definestheir location within the product model in a canonicalmanner. Thus, the product model can be queried for anumber of parameters required for a simulation, which arethen read from the database and automatically returned tothe simulation. This allows designers to perform simula-tions based on different scenarios and different places byproviding interoperable modelling components to find anoverall optimal solution. Furthermore, the results of eachsimulation can be calculated more precisely since eachcomponent has access to updated information providedby previous simulation runs or by other informationsources in the product model.

4 Case Study Wehrhahn Line in Düsseldorf

The proposed concept for a product model will be illus-trated by means of the reference project, the Wehrhahn-

und zurückgegeben werden. Dies ermöglicht den Planernohne aufwändige Modellierungszeit Simulationen mehr-fach in verschiedenen Szenarien und basierend auf unter-schiedlichen Orten auszuführen, um eine optimale Lö-sung zu finden. Des Weiteren werden die Ergebnisse derSimulationen stetig präzisiert, da sie bei der Zusammen-stellung der Eingangsparameter auf aktualisierte Informa-tionen von vorherigen Simulationen oder andere Daten-quellen im Produktmodell zurückgreifen können.

4 Anwendungsbeispiel Wehrhahn-Linie in Düsseldorf

Das vorgestellte Konzept für ein Produktmodell soll an-hand des Referenzprojekts Wehrhahn-Linie in Düsseldorfveranschaulicht werden. Die Wehrhahn-Linie ist ein U-Bahnprojekt der Landeshauptstadt Düsseldorf und ver-bindet zukünftig den S-Bahnhof „Bilk“ im Süden und dieHaltestelle „Am Wehrhahn“ im Osten. Die maschinellenVortriebsarbeiten der insgesamt 3,4 km langen Streckegliedern sich in einen Südast und einen Ostast [21]. EinVerbindungsstück zwischen Süd- und Ostast wird in berg-männischer Bauweise im Schutz einer Vereisung [22] her-gestellt. Der Außendurchmesser der Tunnelröhre beträgtDA = 9,49 m und wird mit einer durchschnittlichen Über-deckung von 1,5 × DA aufgefahren. Ausgebaut wird derzweigleisige Tunnelquerschnitt mit 45 cm starken Stahl -beton-Tübbings.

4.1 Projektinformationen

Zur Reduzierung des numerischen Aufwands im Fall -beispiel wird der Fokus auf den Teilbereich zwischen denU-Bahnhöfen „Schadowstraße“ und „Jacobistraße/Pem-pelforterstraße“ des Ostastes gerichtet (Bild 4). DieserStreckenabschnitt steht mit einer Geraden und einer Kur-venfahrt repräsentativ für weite Teile der Wehrhahn-Linie.Die im Produktmodell (Bild 6) hinterlegten Daten stam-men überwiegend aus Messungen, die während der

Fig. 4. Overview of the eastern branch of the Wehrhahn-Line in Düsseldorf with the selected area of the product model, after [23]Bild 4. Übersicht Ostast der Wehrhahn-Linie in Düsseldorf mit dem modellierten Bereich des Produktmodells, nach [23]



Line in Düsseldorf (Germany). The Wehrhahn-Line is asubway construction project in the City of Düsseldorf andconnects the “Bilk” S-Bahn station in the south to the “AmWehrhahn” station in the east. Tunnelling has a totallength of 3.4 km and is divided into a southern branchand an eastern branch [21]. The link between the southernand eastern branch is constructed conventionally with theassistance of ground freezing [22]. The outer diameter ofthe tunnel is DA = 9.49 m and is driven by a hydroshieldmachine with an average overburden height of ca.1.5 × DA. The twin-track tunnel has a 45 cm thick rein-forced segmental concrete tunnel lining.

4.1 Project information

To reduce the numerical effort in this case study, the focuswill be concentrated on the part of the tunnel between the„Schadowstraße“ and „Jacobistraße/Pempelforterstraße“subway stations on the eastern branch (Fig. 4). This

Schildfahrt von Juni bis Dezember 2011 aufgezeichnetwurden. Im Einzelnen sind das Baugrund-, Maschinen-und Setzungsdaten sowie umfangreiche Informationenzur oberirdischen Bebauung (Bild 5).

4.1.1 Baugrundmodell

Für den gewählten Modellabschnitt werden Baugrundun-tersuchungen und Informationen aus dem tunnelbautech-nischen Bericht an 18 georeferenzierten Bohrlöchern undGrundwassermessstellen entlang der Tunneltrasse (vgl.Bild 6) berücksichtigt, die in tabellarischer, z. B. Messpro-tokolle, Baugrundkenngrößen, und grafischer Form, z. B.Mess- und Auswertungsdiagramme, Bohr- und Sondier-profile, geologische Schnitte, vorliegen. Daraus lässt sichdie in Tabelle 1 dargestellte, grobe ingenieurgeologischeSchichteneinteilung ableiten.

Auf eine detailliertere Schichteinteilung innerhalbder Niederterrasse des Rheins wird im Rahmen dieses Bei-

Table 1. Geological soil layers, project Wehrhahn-Line in DüsseldorfTabelle 1. Ingenieurgeologische Schichteinteilung, Projekt Wehrhahn-Linie Düsseldorf

Filling layer thickness of 2 to 3 m, locally up to 8 mAuffüllung Schichtmächtigkeit von 2 bis 3 m, lokal auch bis ca. 8 m

Alluvial layer mainly flood loam (silt, clay), deposits in the core section only in isolated areas, layer thickness of 0.5 to 1.5 m

Alluviale Hochflutbildungen überwiegend Hochflutlehm (Schluff, Ton), Vorkommen in der Kernstrecke lediglich in vereinzelten Bereichen, Schichtmächtigkeit von 0,5 bis 1,5 m

Low terrace of the Rhine sand and gravel of the quaternary, partly minor components of silt and clay, with increasing depth coarse-grained components, transition to tertiary between 17 to 29 m below the ground surface

Niederterrasse des Rheins Sande und Kiese des Quartärs, z. T. schluffige und tonige Nebenbestandteile, mit der Tiefe zunehmend grobkörnigere Anteile, Übergang zum Tertiär zwischen 17 bis 29 m unterhalb der Geländeoberkante

Tertiary mostly slightly silty and medium sandy to silty fine sandTertiär meist schwach schluffige und schwach mittelsandige bis schluffige Feinsande

Fig. 5. Components for the integrated product modelWehrhahn-Line in DüsseldorfBild 5. Komponenten zum integrierten Produktmodell der Wehrhahn-Linie in Düsseldorf Fig. 6. Visualization of the integrated product model of

Wehrhahn-Line in DüsseldorfBild 6. Visualisierung des integrierten Produktmodells der Wehrhahn-Linie in Düsseldorf


stretch, consisting of a straight line and a curve, is repre-sentative of much of the Wehrhahn Line. The data in theproduct model (Fig. 6) comes mainly from measurementsrecorded during the shield drive from June to December2011, including soil data, machine data and settlements aswell as extensive information on above-ground buildings(Fig. 5).

4.1.1 Ground model

For the selected section, results of geotechnical investiga-tion and information from the tunnelling report based on18 georeferenced boreholes and groundwater measuringpoints along the tunnel route (Fig. 6) are taken into ac-

trags verzichtet. Der Grundwasserspiegel befindet sich in-nerhalb des Grundwasserleiters, der quartären Sande undKiese der Niederterrasse des Rheins. Es können Grund-wasserschwankungen in einer Größenordnung von ca. 2bis 5 m auftreten.

Auf Grundlage der Schichteneinteilung wird ein Bau-grundmodell mit der oben genannten Schichtenfolge undeiner Querschnittsfläche von ca. 730 m × 340 m generiert.Dazu werden die aus den Baugrundinformationen ermit-telten Schichtgrenzen mithilfe eines Delauny-Algorithmus[24] zu einem Dreiecksnetz verbunden. Die Schicht aus al-luvialen Hochflutbildungen wird im gewählten Modellab-schnitt nicht berücksichtigt.

Die Geländeoberfläche variiert in ihrer Höhe zwi-schen ca. 35 bis 38 m ü. NN und resultiert somit in einerModelltiefe von ca. 75 bis 80 m. Für die Modellierung desGrundwasserspiegels werden sowohl der mittlere Grund-wasserstand (27 bis 31 m ü. NN) als auch der Niedrigwas-serstand sowie ein hoher Grundwasserstand als Extrem-werte angesetzt. Die in Laborversuchen ermittelten oderdurch örtliche Erfahrungen abgeschätzten bodenmecha-nischen Parameter werden der jeweiligen Schicht ange-hängt.

4.1.2 Maschinenmodell

Die Visualisierung des Maschinenmodells wurde mithilfevon SolidWorks 2012 [25] erzeugt (Bild 7). Die modellier-

Fig. 7. Visualization of the machine model with SolidWorks2012Bild 7. Visualisierung des Maschinenmodells mit Solid-Works 2012

* Der €-Preis gilt ausschließlich für Deutschland. Inkl. MwSt. zzgl. Versandkosten. 1013116_dp

Customer Service: Wiley-VCHBoschstraße 12D-69469 Weinheim

Tel. +49 (0)6201 606-400Fax +49 (0)6201 [email protected]

Ernst & SohnVerlag für Architektur und technischeWissenschaften GmbH & Co. KG

Recommendations on Piling (EA Pfähle)

This handbook provides a complete and detailed overview of piling systems and their application. The design and const-ruction of piled foundations is based on Eurocode 7 and DIN 1054 edition 2010 as well as the European construction codes DIN EN 1536 (Bored piles), DIN EN 12699 (Displacement piles) and DIN EN 14199 (Micropiles).

Order online: www.ernst-und-sohn.de

Ed.: German Geotechnical

Society

Recommendations on

Piling (EA Pfähle)

2013. 496 pages

€ 109,–*

ISBN 978-3-433-03018-9

Also available as

Also available in german:

Empfehlungen des Arbeitskreises – „EA-Pfähle“



count, which are given either in tabular form (for example,measurement protocols or soil parameters) or graphicalform (for example, measurement and evaluation charts,drilling and sounding profiles or geological cross-sec-tions). Based on this information, the geological layers asshown in Table 1 can be derived.

A more detailed stratification for the low terrace ofthe Rhine is not needed in here. The water table is locatedwithin the aquifer of the quaternary sands and gravels ofthe lower terrace of the Rhine. Water-table fluctuationsmay occur in the order of 2 to 5 m.

On the basis of the soil layers given above, a cross-sec-tional area of about 730 m × 340 m was defined. The in-formation obtained from the subsoil layer boundaries canbe converted to a triangle mesh using a Delaunay algo-rithm [24]. The alluvial layer is not considered in the se-lected section.

The ground surface varies in height from about 35 to38 m a.s.l. and thus results in a model depth of about 75to 80 m. To model the groundwater level, the meangroundwater level (27 to 31 m a.s.l.) as well as low andhigh water levels (as extreme values) are identified. Soilmechanical parameters determined in laboratory tests orby local experiences are appended to the respective layers.

4.1.2 Machine (TBM) model

The visualization of the machine model was implementedusing SolidWorks 2012 [25] (Fig. 7). The model of the ma-chine consists of a total of 86 elements, of which 54 ele-ments belong to the backup and 32 elements to the ma-chine itself. The cutting wheel geometry (DA = 9.49 m)and the total weight correspond to the TBM used in Düs-seldorf. For each element, relevant semantic informationsuch as machine data is added and stored with a specifiedformat within the product model. In this case, about 200to 300 values from about 250 data sources are collectedfor each ring. This means that about 50,000 to 75,000 val-ues need to be recorded for a single ring. Therefore, onlyaverage values from measurements and operating condi-tions (driving, stopping, ring building, etc.) are stored inthe product model.

4.1.3 Tunnel model

The tunnel model consists of a total number of 534 ringswith a mean ring width of 1.5 m. The rings are composedof 7+1 segments and the annular gap grout. The outer diameter of a ring is 9.2 m with a thickness of 0.45 m persegment. Each ring is additionally assigned informationabout the date of installation and the installation time, in-cluding the TBM driving time, length of ring constructionand any downtime.

4.1.4 Building model

The building model is generated on the basis of a 3D CADmodel of the Capital City of Düsseldorf as laser scan data.In this model, individual buildings are initially separatedfrom each other and buildings outside the model range areremoved, resulting in a model consisting of approx. 200

te Maschine besteht aus insgesamt 86 Elementen, wobei54 zum Nachläufer gehören und 32 zum Maschinenkopf.Die Schildabmessungen (d = 9,49 m) und das Gesamt -gewicht sind der Vortriebsmaschine in Düsseldorf ange -glichen. Zu jedem Element werden dann semantische In-formationen hinzugefügt und in einem bestimmten For-mat im Produktmodell abgelegt, z. B. die Maschinenda-ten. Über das betrachtete Teilstück fallen pro Ring ca. 200bis 300 Momentanwerte bei ungefähr 250 Datenquellenan. Das bedeutet, dass allein für einen Ring etwa 50.000bis 75.000 Werte aufgezeichnet werden. Im vorliegendenModell werden die Maschinendaten daher zunächst nurfür die Mittelwerte pro Ring, die sich aus den Momentan-werten und den Betriebszuständen (Vortrieb, Stillstand,Ringbau) ergeben, gespeichert.

4.1.3 Tunnelmodell

Das Tunnelmodell besteht aus einer totalen Anzahl von534 Ringen mit einer mittleren Ringbreite von 1,5 m. DieRinge setzen sich aus einem 7+1 Tübbingsystem und demRingspaltmörtel zusammen. Der Außendurchmesser desTübbingrings beträgt 9,2 m bei einer Segmentdicke von0,45 m. Jeder Ring ist zusätzlich mit Informationen überEinbaudatum und Einbauzeit verknüpft. Zur Einbauzeiteines Rings gehören die Vortriebsdauer und Dauer für denRingbau sowie ggf. Stillstandszeiten.

4.1.4 Bebauungsmodell

Das Bebauungsmodell wird auf der Basis eines 3D-CAD-Modells der Landeshauptstadt Düsseldorf als Laserscan-daten generiert. In diesem Modell sind zunächst die ein-zelnen Gebäude voneinander separiert worden und danndiejenigen Gebäude entfernt, die außerhalb des Bereichsdes Baugrundmodells liegen. Das Modell besteht somitaus insgesamt ca. 200 Bauwerken. Um die oberirdischeBebauung entlang der Tunneltrasse z. B. in numerischenSimulationen zu berücksichtigen, werden äquivalente Er-satzmodelle der Bebauung bereitgestellt. Diese äquivalen-ten Modelle enthalten semantische Informationen wie dieeffektive Steifigkeit des Bauwerks oder die Masse der Be-bauung. Die maßgebenden Informationen stammen z. B.aus einer umfangreichen Analyse von originalen Hausak-ten der Bebauung.

4.1.5 Setzungsdaten

Aus Messungen vor, während und nach der Schildfahrt amOstast liegen im exemplarisch betrachteten Ausschnitt ca.600 terrestrische und ca. 5.500 satellitengestützte Mess-punkte vor. Die satellitengestützten Messungen sind imRahmen des Sonderforschungsbereichs SFB 837 in Ko-operation mit dem Deutschen Zentrum für Luft- undRaumfahrt (DLR), der TU Braunschweig (Prof. Niemeier)und der Landeshauptstadt Düsseldorf aus Radaraufnah-men des TerraSAR-X Satelliten entstanden. Bei den Mes-sungen konnten Genauigkeiten im Bereich ±1,5 mm nach-gewiesen werden [23].

Jeder Messpunkt zeigt ganze Zeitserien der Setzun-gen, die in den Abständen zwischen den Messungen starkvariieren können. So liegen insgesamt etwa eine halbe



buildings. To account for the buildings above the tunnelaxis, for example in numerical simulations, equivalent re-placement (surrogate) models of buildings are provided.These equivalent models contain semantic informationsuch as the effective stiffness of the structures or the mass-es of the buildings. The relevant information is collected,for example, from an extensive analysis of original recordsof house construction plans.

4.1.5 Settlement data

From measurements made before, during and after thetunnelling process on the eastern branch, about 600 ter-restrial and 5,500 satellite-based data points were ob-tained. The satellite-based measurements were gainedfrom radar images of the TerraSAR-X satellite and werepossible through the cooperation of the Collaborative Research Center SFB 837 with the German AerospaceCenter (DLR), the Technical University of Braunschweig(Prof. Niemeier) and the Capital City of Düsseldorf. Accu-racies proved to be in the range of ±1.5 mm [23].

Each data point shows the corresponding time seriesof settlements that can vary greatly in the intervals be-tween measurements. A total of about half a million settle-ment readings were collected. To use the data consistentlyin the product model, exact georeferencing of data pointsin the Gauss-Krüger coordinate system was necessary. Bytransformation of the terrestrial and satellite-based subsi-dence measurements to a common reference level, a di-rect comparison of settlement data is possible.

4.2 Example 1: Visualization of settlement data

During driving operations in the eastern branch of theWehrhahn Line, extensive settlement measurements werecollected, as noted previously. All elements of the shieldtunnelling machine were taken from the records of theconstruction company and put into the product model.With careful temporal and spatial synchronization it waspossible to create a comprehensive animation of theshield tunnelling process.

Fig. 8 depicts terrestrial subsidence measurements atdifferent times during the advance. The course of settle-ments is shown using a triangulation of individual settle-ment points. White areas represent no (zero) settlementswith respect to a reference level. Note that on June 30,2011, some settlement (top right) has apparently occurreddespite the great distance between the position of theTBM and the settling event. Taking into account addition-al information about construction activities in this area, itwas realized that these settlement effects were caused bypreliminary works at a subway stop. In the further course,the settlement behaviour of the soil with regards to the po-sition of the shield machine remains clear.

4.3 Example 2: A complete numerical simulation with equivalent models for buildings

Numerical simulation models make the greatest demandson the interface specifications of the product model be-cause of the wide variety of data formats and parametertypes needed by each software product (see section 3.3). A

Million Setzungsmesswerte vor. Maßgebend für die Nut-zung der Daten im Produktmodell ist die genaue Georefe-renzierung der Messpunkte im Gauß-Krüger Koordinaten-system. Durch eine Transformation der terrestrischen Set-zungsmessungen auf eine gemeinsame Nullmessung mitden satellitengestützten Setzungsmessungen ist ein direk-ter Vergleich der Daten möglich.

4.2 Beispiel 1: Visualisierung von Setzungsdaten

Während des Schildvortriebs des Ostastes der Wehrhahn-Linie in Düsseldorf wurden umfangreiche Setzungsmes-sungen durchgeführt. Die gesamten Elemente des maschi-nellen Schildvortriebs sind aus den Aufzeichnungen derbauausführenden Firma in das Produktmodell übernom-men worden. Durch die zeitliche und räumliche Synchro-nisation ist eine ganzheitliche Visualisierung mit Anima -tion des Schildvortriebs möglich.

In Bild 8 sind terrestrische Setzungsmessungen zuunterschiedlichen Zeitpunkten des Vortriebs dargestellt.Der Verlauf der Setzungen wird hierbei mithilfe einerDreiecksvernetzung der Setzungspunkte dargestellt. Beieiner weißen Fläche sind zu diesem Zeitpunkt die Setzun-gen gleich null. Am 30. Juni 2011 ist zu erkennen, dasstrotz größerer Distanz zwischen Maschine und Setzungs-ereignis (rechts oben) bereits Verschiebungen aufgetretensind. Unter Berücksichtigung weiterer Informationen zuBautätigkeiten im Bereich des Produktmodells kannnachgewiesen werden, dass diese Setzungseffekte durchvorlaufende Arbeiten an einer U-Bahnhaltestelle verur-sacht wurden. Im weiteren Verlauf wird das Setzungsver-halten des Bodens im Zusammenhang mit der Positionder Schildmaschine deutlich.

4.3 Beispiel 2: Numerische Gesamtsimulation mitäquivalenten Ersatzmodellen der Bebauung

Numerische Simulationsmodelle stellen die größten An-forderungen an die in Abschnitt 3.3 beschriebenenSchnittstellen dar, da aufgrund sehr verschiedener Pro-grammsysteme die Datenformate stark variieren. Eine wei-

Fig. 8. Product model of the Wehrhahn-Line in Düsseldorfwith visualization of settlements, buildings and the shieldtunnelling.Bild 8. Produktmodell der Wehrhahn-Linie in Düsseldorfmit Visualisierung von Setzung, Bebauung und Schildvor-trieb



further application of the product model is therefore pro-vided by an example of an interactive numerical simula-tion using substitute models of building structures (seesection 4.1). This allows the usually complex characteris-tics of buildings above the tunnel to be simplified withoutany additional computational cost in the overall simula-tion.

To further simplify the simulation example, only a sin-gle building in the product area in Düsseldorf is consid-ered (Fig. 9). The product model provides all relevant in-formation (for example, parameters for the building andthe geometry, machine parameters, material parametersand existing buildings) needed to automatically generate aworking computational model.

In particular, the model generated for the numericalsimulation consists of the following sub-steps [26] [27]:– Transfer of geometry and soil data: In addition to the

geometrical boundary conditions (of the simulation re-gion), a clear definition of the tunnel and the ground lay-ers is required. The information is provided by the prod-uct model for a generator in the form of volume data andgeometrical boundary conditions in the ACIS format.The data on soil characteristics and soil layers stored inthe product model data is based on expert knowledgeand can be updated at any time. In addition, the tunnel

tere Anwendung des Produktmodells wird daher am Bei-spiel interaktiver numerischer Simulationen unter interak-tiven Einbezug von äquivalenten Ersatzmodellen der Be-bauung vorgestellt (vgl. Abschnitt 4.1). So ist es möglich,die häufig sehr komplexen Eigenschaften der Bebauungohne einen zusätzlichen numerischen Aufwand in der Ge-samtsimulation vereinfacht zu berücksichtigen.

Zur weiteren Vereinfachung des Simulationsbeispielswird nur ein Bauwerk im modellierten Bereich in Düssel-dorf berücksichtigt (Bild 9). Das Produktmodell stellt allemaßgebenden Informationen, z. B. Baugrund, Geometrie,Maschinenparameter, Materialparameter und vorhandeneBebauung, einer automatischen Modellgenerierung zurVerfügung.

Die Modellgenerierung für die numerische Simula -tion besteht im Einzelnen aus den folgenden Teilschritten[26] [27]:– Übernahme von Geometrie und Baugrund: Zusätzlich

zu den geometrischen Randbedingungen (Simulations-bereich) ist eine klare Definition von Tunnel und Bo-denschichten erforderlich. Diese Informationen werdenüber das Produktmodell dem Modellgenerierer in Formvon Volumendaten und repräsentativen geometrischenRandbedingungen im ACIS-Format bereitgestellt. Dieim Produktmodell vorgehaltenen Daten zu Boden-schichten und Baugrundkennwerten basieren auf Ex-pertenwissen und können jederzeit aktualisiert werden.Darüber hinaus ist die Tunneltrassierung im Produkt-modell in verschiedenen Formaten verfügbar.

– Übernahme von Eingangsparametern: Die tunnelvor-triebsbezogenen Parameter sind erforderlich, um das Si-mulationsmodell zu generieren. Diese Informationenstammen aus verschiedenen Disziplinen, bestehend ausMaterialparametern (Boden, Ringspaltverpressung, Aus-bau) sowie Geometrie- und Maschinendaten. Alle dieseParameter werden im Produktmodell für verschiedeneAnwendungen gespeichert.

– Generierung und Ausführung der Simulation: Nachdemalle Informationen zur Erstellung des Modells eingele-sen sind, kann die automatische Modellgenerierung dieverschiedenen Geometrien und Parameter in eine Simu-lation überführen, die Randbedingungen definieren undautomatisch das Finite Element Netz erzeugen. Danachkann das sogenannte Simulationsskript erstellt und aufAnfrage ausgeführt werden.

Letztendlich besteht das gesamte Modell aus einer Kollek-tion gespeicherter Daten im Produktmodell. So wird deut-lich, dass ohne ein leistungsfähiges Produktmodell undohne den Einbezug von Expertenwissen aus verschiede-nen Disziplinen eine realistische großformatige Simula -tion nicht möglich ist. Die gewonnenen Ergebnisse der Simulation, z. B. Setzungen, werden dann wiederum zurBewertung möglicher Schadensrisiken der Bebauungselbst im Produktmodell bereitgestellt (vgl. Bild 9).

5 Schlussfolgerungen

Die komplexen gekoppelten Verhältnisse beim Bau vonTunneln im maschinellen Vortrieb lassen sich in Modellenzusammenführen. Die Modelle benötigen zunächst vielfäl-tige Daten. Dazu gehören solche des Baugrunds, des Tun-

Fig. 9. Flow chart of an interactive numerical simulationBild 9. Ablaufdiagramm einer interaktiven numerischenSimulation



alignment stored within the product model is availablein a variety of formats.

– Transfer of input parameters: tunnelling-related parame-ters are needed to generate the simulation model. Thisinformation, including material parameters (soil, annu-lar gap grouting, ring construction, etc.) as well as geo-metrical and machine data, comes from many sources.

– Generation and execution of the simulation: after allthe information has been read to create the model, theautomatic model generator can transfer the variousgeometries and parameters to the simulation system,define the needed boundary conditions and automati-cally generate the finite element mesh. After that, a so-called simulation script can be created and run on demand.

Ultimately, the entire model is defined by the collection ofdata stored in the product model. Thus it is clear that norealistic large-scale simulation is possible without a capa-ble product model and without the inclusion of expertknowledge from different fields. The results obtained by asimulation (for example, the subsidence) can then formthe basis for further planning options, such as a compre-hensive risk analysis (see Fig. 9).

5 Conclusions

The complex relationships that arise during the construc-tion of tunnels using TBMs can be merged in correspond-ing models. Of course, such models require a variety of da-ta, including ground data, tunnel data, data on the tunnelboring machine, but also information about the tunnel lo-gistics and data of the above-ground building structures.Structural models, process descriptions and interaction re-lationships link the data in an integrated product model inan interactive fashion.

Forecast calculations can now be performed andevaluated for quantities such as subsidence, fault condi-tions, or alignment properties. This is useful not only for aholistic anticipatory design process and controlled tun-nelling operations, but also for visualization and presenta-tion purposes.

The proposed integrated product model shows thestrengths of such coupled modelling. It helps to better un-derstand the construction process, the evaluation of align-ments or construction measures, and also to better accesspossible risk scenarios and provide options for risk reduc-tion

Acknowledgements

The authors gratefully acknowledge the financial support of theGerman Research Foundation (DFG) for this work, which waselaborated within the framework of the subprojects A4, A5, C1,D1 and D3 of the Collaborative Research Center SFB 837 “In-teraction Modeling in mechanized Tunneling”. A special thanksto Dipl.-Ing. A. Blome, Dipl.-Ing. H. Neuss, Dipl.-Geol. I. Pählerand Dipl.-Ing. E. Ziem of the Capital City of Düsseldorf (TrafficDepartment) for their support of the research project by provid-ing essential project data. Likewise, we thank Bilfinger Con-struction Ltd., especially Dipl.-Ing. B. Ferrière, Dipl.-Betriebw.T. Eilert and Dipl.-Ing. F. J. Messirek for their helpful technicalassistance.

nels, der Tunnelvortriebsmaschine, aber auch der Logistikund von Bauwerken im Einflussbereich der Trasse. Struk-turmodelle, Prozessbeschreibungen und Interaktionsbe-ziehungen verknüpfen die Daten interaktiv in einem inte-grierten Produktmodell.

Nun lassen sich Prognoseberechnungen zu beispiels-weise Setzungen, Störungseinflüssen oder Trassierungsei-genschaften durchführen und auswerten. Dies ist hilfreichfür den ganzheitlichen vorausschauenden Planungspro-zess, für eine gezielte Steuerung während des Vortriebs,aber auch für die Visualisierungen und Darstellungen.

Das vorgestellte integrierte Produktmodell zeigt dieStärken solch einer gekoppelten Modellierung. Es hilftzum besseren Verständnis des Bauablaufs, der Bewertungvon Trassen oder Maßnahmen, aber auch bei der Risiko-abschätzung und -reduzierung. Derartige Modelle habendie Chance, sich als fester Bestandteil der Planung zu etab-lieren. Gleichzeitig aber können sie wertvolle Hilfestellun-gen während der Bauausführung bewähren.

References

[1] Guglielmetti, V., Grasso, P., Mahtab, A., Xu, S.: Mecha-nized Tunneling in Urban Areas. London: Taylor & Francis,2012.

[2] BuildingSmart: Industry Foundation Classes (IFC) – ThebuildingSMART data model. http://www.buildingsmart.org/standards/ifc

[3] Arthaud, G., Lebegue, E.: IFC-Bridge V2 Data Model. 2007.[4] Rebolj, D., Tibaut, A., Cuš-Babic, N., Magdic, A., Pod-

breznik, P.: Development and application of a road productmodel. Automation in Construction 17 (2008), No. 6, pp.719–728.

[5] Hegemann, F., Lehner, K., König, M.: IFC-based ProductModeling for Tunnel Boring Machines. Gudnason, Scherer(eds.): eWork and eBusiness in Architecture, Engineering andConstruction, Reykjavík, Iceland, 2012, pp. 289–296.

[6] Lee, S. H., Kim, B. G.: IFC Extension for Road Structuresand Digital Modeling. Procedia Engineering 14 (2011), pp.1037–1042.

[7] Ji, Y., Borrmann, A., Beetz, J., Obergrießer, M.: Exchange ofParametric Bridge Models Using a Neutral Data Format.Journal of Computing in Civil Engineering, 2013.

[8] Borrmann, A., Jubierre, J. R.: A multi-scale tunnel productmodel providing coherent geometry and semantics. Brilakiset al. (eds.): International Workshop on Computing in CivilEngineering. Los Angeles, 2013.

[9] Gröger, G., Kolbe, T. H., Nagel, C., Häfele, K. H.: OGC CityGeography Markup Language (CityGML) En-coding Stan-dard. 2012.

[10] Kolbe, T. H., Gröger, G., Plümer, L.: CityGML: Interoper-able Access to 3D City Models. 1st International Symposiumon Geo-information for Disaster Management. Delft, 2005.

[11] Isikdag, U., Zlatanova, S.: Towards Defining a Frameworkfor Automatic Generation of Buildings in CityGML UsingBuilding Information Models. Geoinformation and Cartogra-phy Conference. Varazdin, 2009.

[12] Hijazi, I., Ehlers, M., Zlatanova, S., Becker, T., Berlo, L.:Initial Investigations for Modeling Interior Utilities Within3D Geo Context: Transforming IFC-Interior Utility toCityGML/UtilityNetworkADE. Kolbe et al. (eds.): Advancesin 3D Geo-Information Sciences. pp. 95–113. Berlin, 2011.

[13] Zobl, F., Robert, M.: Subsurface GeoBuilding InformationModeling GeoBIM. GEOinformatics 11 (2008), No. 8, pp.40–43.



Ruhr-Universität BochumUniversitätsstraße 15044801 BochumGermany

Dr.-Ing. Christian KochLehrstuhl für Informatik im [email protected]

Dr.-Ing. Dipl.-Inform. Karlheinz LehnerLehrstuhl für Informatik im [email protected]

Dipl.-Ing. Mario GalliLehrstuhl für Tunnelbau, Leitungsbau und [email protected]

Dipl.-Ing. Thomas BarciagaLehrstuhl für Grundbau, Boden- und [email protected]

Abdullah Alsahly, M. Sc.Lehrstuhl für Statik und [email protected]

Dipl.-Ing. Felix HegemannLehrstuhl für Informatik im [email protected]

Dipl.-Ing. Steffen SchindlerLehrstuhl für [email protected]

[14] Breunig, M. et al.: Towards Computer-Aided CollaborativeSubway Track Planning in Multi-Scale 3D City and BuildingModels. 6th International ISPRS Conference on 3D Geoin-formation. Wuhan, 2011.

[15] Breunig, M. et al.: Towards 3D Geoinformatics and Com-putational Civil Engineering Support for Cooperative TracksPlanning. FIG Working Week. Rome, 2013.

[16] Borrmann, A., Ji, Y., Jubierre, J. R.: Multi-scale geometry incivil engineering models: Consistency preservation throughprocedural representations. 14th Int. Conf. on Computing inCivil and Building Engineering. Moscow, 2012.

[17] Jubierre, J., Borrmann, A.: Cross-submodel consistencypreservation in multi-scale engineering models. 14th Interna-tional Conference on Civil, Structural and EnvironmentalEngineering Computing, Cagliari. Sardinia, 2013.

[18] Kymmell, W.: Building information modeling – Planningand managing construction projects with 4D CAD and simu-lations. Maidenhead: McGraw-Hill, 2008.

[19] Amann, J. et al.: A Refined Product Model for Shield Tun-nels based on a Generalized Approach for Alignment Repre-sentation. 1st International Conference on Civil and BuildingEngineering Informatics, Tokyo, 2013.

[20] Falkner, N., Hegemann, F., Schindler, S.: Interaktive Visu-alisierung von Setzungsdaten in einer Virtual Reality Umge-bung. Hegemann, Kropp et al. (Hrsg.): Forum Bauinformatik2012, pp. 55–62.

[21] Blome, A.: Die Wehrhahn-Linie – Historie, verkehrlichesKonzept und künstlerische Gestaltung. Vergangenheit trifftZukunft – 50 Jahre STUVA. Düsseldorf, 2010.

[22] Müller, B.: Unterfahrung Kaufhof: Bergmännischer Vor-trieb im Vereisungsverfahren. Vergangenheit trifft Zukunft –50 Jahre STUVA. Düsseldorf, 2010.

[23] Mark, P. et al.: Radarinterferometrie zum Setzungsmoni-toring im Tunnelbau – Anwendung am Beispiel der Wehr -hahn-Linie in Düsseldorf. Bautechnik 89 (2012), No. 11, pp.764–776.

[24] George, P.L., Borouchaki, H.: Delaunay triangulation andmeshing – Application to finite elements. Paris: Hermès,1998.

[25] Planchard, D., Planchard, M.: Engineering Design withSolidWorks 2012. Mission: SDC Publications, 2012.

[26] Meschke, G., Nagel, F., Stascheit, J.: Computational Simu-lation of Mechanized Tunneling as Part of an Integrated De-cision Support Platform. Journal of Geomechanics 11 (2011),pp. 519–528.

[27] Stascheit, J. et al.: An automatic modeller for Finite Ele-ment Simulations of Shield tunneling Computational Model-ling in Tunnelling. EURO:TUN, 2007.

Danksagung

Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft(DFG) für die finanzielle Förderung dieser Arbeit im Rahmender Teilprojekte A4, A5, C1, D1 und D3 des Sonderforschungs-bereichs SFB 837 „Interaktionsmodelle für den maschinellenTunnelbau“. Ein besonderer Dank gilt Frau Dipl.-Ing. A. Blome,den Herren Dipl.-Ing. H. Neuß, Dipl.-Geol. I. Pähler und Dipl.-Ing. E. Ziem der Landeshauptstadt Düsseldorf Amt fürVerkehrsmanagement für die Unterstützung des Forschung-sprojekts durch die Bereitstellung fundamentaler Projektdaten.Ebenso sei der Bilfinger Construction GmbH, insbesondere denHerren Dipl.-Ing. B. Ferrière, Dipl.-Betriebw. T. Eilert und Dipl.-Ing. F. J. Messirek für die technische Unterstützung gedankt.


The evaluation of the abrasiveness of soil is not unified or stan-dardised at the moment. Mostly used are complex index process-es with greatly simplified model bodies and simplified test condi-tions such as the LCPC abrasimeter test. These processes canhowever at best measure the efficiency of the wear mechanismand are not capable of reflecting the strength of the bonding ofthe internal fabric, an essential factor determining the level of op-erational demands, i.e. the resistance to excavation. These indexprocesses therefore offer no advantages over evaluationprocesses based on conventional soil mechanics parameters.Quite the opposite, these mostly prototype tests imply new prob-lems that are inevitable with the testing methods. The paper thuspresents at the end an extended method of evaluating wear toexcavation tools and the conveyance or transport of excavatedspoil.

1 Introduction

Unexpectedly high wear to the cutting and boring tools(Fig. 1) is one of the most frequent causes of slow con-struction progress in mechanised tunnelling and geotech-nical engineering, leading to increased costs and claims[3]. The measurement of the abrasiveness of soil as a basisfor the prediction of wear has however still not been uni-fied or covered by standards. Various testing processes –mostly complex index processes with highly simplifiedmodel bodies and simplified testing conditions – have notdelivered reliable and resilient parameters or contributedto the clarification of disputed matters but have ratherbeen the cause of confusion in the past. Wear estimatesbased on these methods have also mostly been empiricaland thus contain a high degree of subjective estimationand company specific experience.

2 Definition of wear and tribological systems

The basics for the description of wear and the categorisa-tion of wear systems are described in the bulletin No. 7 ofthe Gesellschaft für Tribologie, the German Society forTribology [8]. This bulletin represents the continuation ofthe former DIN standards in the 50320 series, which werewithdrawn due to the lack of regular updating.

Wear is defined as the progressive loss of materialfrom the surface of a solid body caused by mechanical

Die Beurteilung der Abrasivität von Lockergesteinen ist bis heutenicht vereinheitlicht oder normiert. Verbreitet sind vor allem kom-plexe Indexverfahren mit stark vereinfachten Modellkörpern undvereinfachten Versuchsrahmenbedingungen wie z. B. der Dreh-flügelversuch LCPC. Diese Verfahren können aber allenfalls dieWirksamkeit des Verschleißmechanismus abbilden und sindnicht in der Lage, die Festigkeit des Gefügeverbands als maßgeb-lichen Einflussfaktor auf die Größe der Beanspruchung, d. h. denAbbauwiderstand zu erfassen. Derartige Indexverfahren besitzendaher keine Vorteile gegenüber Bewertungsverfahren, die aufherkömmlichen, bodenmechanischen Kennwerten beruhen. Ganzim Gegenteil implizieren diese, meist prototypartigen Versucheneue, versuchsspezifische Probleme. Der Beitrag stellt daher ab-schließend einen erweiterten Bewertungsansatz zur Verschleiß-bewertung von Abbauwerkzeugen sowie der Abförderung bzw.dem Abtransport von gelöstem Abbaugut vor.

1 Einführung

Unerwartet hoher Verschleiß an Abbau- und Bohrwerk-zeugen (Bild 1) gehört im maschinellen Tunnelbau undSpezialtiefbau zu den häufigsten Ursachen für geringerenBaufortschritt und damit verbundenen Kostensteigerun-gen und Mehrkostenforderungen [3]. Die Beurteilung derAbrasivität von Lockergesteinen als Basis für Verschleiß-prognosen ist bis heute jedoch nicht vereinheitlicht odernormiert. Unterschiedlichste Prüfverfahren – meist kom-plexe Indexverfahren mit stark vereinfachten Modellkör-pern und vereinfachten Versuchsrahmenbedingungen –haben in der Vergangenheit eher für Verwirrung gesorgt,als dass sie aussagekräftige und belastbare Kennwerte ge-liefert und zur Klärung strittiger Sachverhalte beigetragenhätten. Auch erfolgen die darauf aufbauenden Verschleiß-prognosen meist empirisch und beinhalten daher in einemhohen Maß subjektive Einschätzungen und firmeninterneErfahrungen.

2 Definition von Verschleiß und tribologischen Systemen

Die Grundlagen der Verschleißbeschreibung und der Glie-derung von Verschleißsystemen werden im ArbeitsblattNr. 7 der Gesellschaft für Tribologie [8] beschrieben. Die-ses Arbeitsblatt stellt die Fortschreibung der ehemaligenDIN-Normen der Reihe 50320 dar, die 1997 wegen fehlen-der turnusmäßiger Überarbeitung zurückgezogen wurden.

Topics

Determining soil abrasiveness by use of index testsversus using intrinsic soil parameters

Bewertung der Abrasivität von Lockergesteinen mitIndexverfahren und herkömmlichen Bodenkennwerten

DOI: 10.1002/geot.201300028Jan DüllmannMichael AlberRalf J. Plinninger


J. Düllmann/M. Alber/R. J. Plinninger · Determining soil abrasiveness by use of index tests versus using intrinsic soil parameters

loading. This is called tribological loading and cannot beexpressed as a parameter related to a material but only asparameter related to a system, since it is above all the in-teractions of the system components involved that are rel-evant for the actual wear potential of a system. Such a tri-bological system consists of tribological stresses, where allthe forces acting on the system can be collected, and astructure, which describes all the materials (elements) in-volved in the system and their properties. In order to de-scribe the wear potential of an overall system, two compo-nents have to be taken into account as the resultant of theinteraction of the tribological stresses and the structure ofthe wear system. These are the “efficiency of the wearmechanism” and the “level of operational demands”(Fig. 2). If only one of these components is evaluated in-stead of a complete system analysis, then no reliable state-ment can be made about the wear potential of the overallsystem.

3 Tribological systems in mechanised tunnelling

In mechanised shield tunnelling with or without face sup-port, it is generally necessary to distinguish between twodifferent wear systems:– Wear to excavation tools and other machine parts as a

result of direct contact with the encountered soil (de-scribed as excavation wear or primary wear),

– wear to transport and conveyance equipment as a resultof contact with the already excavated ground (describedas transport wear or secondary wear).

The common feature of both these systems is the efficien-cy of the wear mechanism. The essential wear mechanismin mechanised tunnelling in soft ground with or withoutface support is, according to the definition in [8], the abra-sion. This article will therfore not deal with “wear” as a re-sult of brittle failure of tools due to high impact loads.Other wear mechanisms like adhesion, tribo-chemical re-actions or surface fracturing have a less significant effectin this type of tunnelling.

The difference between the two systems is the level ofoperational demands. While in the excavation wear sys-

Als Verschleiß wird der fortschreitende Materialver-lust aus der Oberfläche eines festen Körpers definiert, derdurch mechanische Beanspruchung hervorgerufen wird.Diese sogenannte tribologische Beanspruchung kannnicht als stoffbezogene, sondern nur als systembezogeneKenngröße ausgedrückt werden, da es vor allem die Wech-selwirkungen der beteiligten Systemkomponenten sind,die für das tatsächliche Verschleißpotenzial eines Systemsrelevant sind. Ein solches tribologisches System gliedertsich in ein Beanspruchungskollektiv, in dem sämtliche aufdas System wirkenden Kräfte zusammengefasst werden,und eine Struktur, die sämtliche am System beteiligtenStoffe (Elemente) und deren Eigenschaften beschreibt.Um eine Aussage zu dem Verschleißpotenzial eines Ge-samtsystems treffen zu können, müssen zwei Komponen-ten als Resultat der Wechselwirkungen aus Beanspru-chungskollektiv und Struktur bewertet werden können.Dies sind die „Wirksamkeit des Verschleißmechanismus“und die „Größe der technisch-physikalischen Beanspru-chung“ (Bild 2). Wird anstatt einer vollständigen System-analyse nur eine dieser Komponenten beurteilt, so kannkeine aussagekräftige Angabe zum Verschleißpotenzialdes Gesamtsystems getroffen werden.

3 Tribologische Systeme im maschinellen Tunnelbau

Bei maschinellen Schildvortrieben mit oder ohne Orts-bruststützung ist die generelle Trennung zweier verschie-dener Verschleißsysteme notwendig:– Verschleiß an Abbauwerkzeugen und anderen Bauteilen

durch den direkten Kontakt zum anstehenden Bau-grund (als Abbauverschleiß oder Primärverschleiß be-zeichnet)

– Verschleiß an Transport und Fördereinrichtungen durchden Kontakt zum bereits gelösten Baugrund (als Trans-portverschleiß oder Sekundärverschleiß bezeichnet)

Die Gemeinsamkeit beider Systeme liegt in der Wirksam-keit des Verschleißmechanismus. Der wesentliche Ver-schleißmechanismus im maschinellen Tunnelbau im Lo-ckergestein mit oder ohne Ortsbruststützung ist entspre-chend den Definitionen in [8] die Abrasion. Auf mögliche

Fig. 1. Examples of worn excavation tools on a shield TBM: drag picks (left), disc cutter (right)Bild 1. Beispiele für verschlissene Abbauwerkzeuge einer Schildmaschine: Schälmesser (links), Einringdiske (rechts)



tem, the contact force of the tools to the prevailing grounddetermines the exposure (also dependent on the groundproperties), in the transport wear system it is rather deter-mined by the hydraulic mechanics in the conveyanceroutes, and also from the flow speeds.

4 Abrasiveness measurement in soft ground4.1 Index tests for the measurement of abrasiveness

In order to provide an supposedly simple measurement ofsoil abrasiveness in the laboratory, numerous differenttest procedures have been proposed in the past, mostlybased on greatly simplified model test systems (modelmill tests). The basic principle of these procedures is thedetermination of the material loss in a model-type testbody, which is moved through a soil sample for a certaintime under defined energy input. In Middle Europe, theLCPC abrasimeter test is widely used [16], for which aFrench test standard is available [1] (Fig. 3, left). The ro-tation of a metal propeller in a soil sample, which hasbeen disturbed and possibly also changed in its grain size,grain size distribution and grain angularity, indeed intro-duces a defined energy into the test procedure, but this isnot related to the actual level of operational demands inthe encountered (undisturbed) ground. Tests with largevolumes or the possibility of artificially compacting thesample material (e.g. the so-called “Wiener Abrasimeter”[5] [6]) can therefore not reflect this essential property ofthe ground. The same applies to the parameters deter-mined in the Miller Test according to ASTM G75-07 [2],or the NTNU Soil Abrasion Test [17] [18] (Fig. 3, right).Even under favourable conditions, these tests are only ca-pable of determining the efficiency of the wear mecha-nism (see section 2). A listing of further soil propertiesand their consideration in such index processes can befound for example in Plinninger and Restner [15] for theexample of the LCPC test.

Gewaltschäden durch hohe Schlagbeanspruchungen sollin diesem Beitrag nicht weiter eingegangen werden. Ande-re Verschleißmechanismen wie Adhäsion, tribochemischeReaktionen oder Oberflächenzerrüttung haben bei diesenVortriebsverfahren einen allenfalls stark untergeordnetenEinfluss.

Der Unterschied zwischen beiden Systemen liegt inder Größe der technisch-physikalischen Beanspruchung.Während im System Abbauverschleiß die Kontaktkraftder Werkzeuge zum anstehenden Baugrund die Größe derBeanspruchung vorgibt (u.a. abhängig von den Baugrund-eigenschaften), wird diese im System Transportverschleißeher durch die Strömungsmechanik in den Förderwegen,v.a. durch die Strömungsgeschwindigkeiten, bedingt.

4 Abrasivitätserfassung für Lockergesteine4.1 Indexversuche zur Abrasivitätsbewertung

Zum Zwecke der vermeintlich einfachen und labortaugli-chen Bewertung der Abrasivität von Lockergesteinen wur-den in der Vergangenheit eine Vielzahl unterschiedlicherUntersuchungsverfahren vorgeschlagen, die zumeist aufstark vereinfachten Modellversuchssystemen (Verschleiß-töpfen) beruhen. Das Grundprinzip dieser Verfahren istdie Bestimmung des Materialverlusts eines modellartigenPrüfkörpers, der für eine bestimmte Zeit und unter defi-niertem Energieeintrag durch eine Bodenprobe bewegtwird. Im deutschsprachigen Raum hat sich insbesondereder auch als Drehflügelversuch bezeichnete LCPC-Testetabliert [16], für den eine französische Prüfnorm vorliegt[1] (Bild 3, links). Durch die Rotation eines Metallflügelsin einer gestörten und hinsichtlich Korngröße, Korngrö-ßenverteilung und Kornform ggf. veränderten Bodenpro-be wird zwar auch eine definierte Energie in den Prüfvor-gang eingebracht, diese steht jedoch mit der tatsächlichenGröße der technisch-physikalischen Beanspruchung imanstehenden (ungestörten) Boden nicht im Zusammen-hang. Auch Versuche mit größeren Volumina oder derMöglichkeit das Probenmaterial künstlich zu verdichten(z. B. Wiener Abrasimeter [5] [6]) können diese wesentlicheEigenschaft eines Bodens daher nicht abbilden. Gleichesgilt für die im Miller-Test nach ASTM G75-07 [2], oder imNTNU Soil Abrasion Test [17] [18] (Bild 3, rechts) ermittel-ten Kennwerte. Auch diese Versuche sind im günstigstenFall nur in der Lage, lediglich die Wirksamkeit des Ver-schleißmechanismus zu bewerten (vgl. Kapitel 2). EineZusammenstellung von weiteren Bodeneigenschaften undderen Berücksichtigung bei derartigen Index-Verfahrenfindet sich am Beispiel des LCPC-Tests bei Plinninger undRestner [15].

4.2 Herkömmliche Bodenkennwerte in derAbrasivitätsbewertung

Hinsichtlich der Wirksamkeit des Verschleißmechanismusstellen die Mineralzusammensetzung, Korngröße undKornrundungsgrad der Komponenten (vgl. DIN 14688-1[4]) maßgebliche intrinsische Kennwerte dar [6] [9]. Ver-einfacht ausgedrückt steigt die Abrasivität eines Bodensmit steigendem Anteil schleißscharfer Minerale, größerenKorngrößen und eckiger Kornform. Dies gilt dabei sowohlfür das System Abbauverschleiß als auch für das System

Fig. 2. Scheme of the components and their interactionswithin a tribological wear system (modified/added accord-ing to [8])Bild 2. Schematische Darstellung der Komponenten undderen Wechselwirkungen innerhalb eines Verschleißsystems(verändert/ergänzt nach [8])



4.2 Conventional soil parameters in the measurement of abrasiveness

Regarding the efficiency of the wear mechanism, the min-eral composition, grain size and degree of angularity ofthe components (see DIN 14688-1 [4]) are relevant intrin-sic parameters [6] [9]. Stated in a simplified form, the abra-siveness of a soil increases with increasing content of abrasion-sharp minerals, larger grain sizes and sharpergrain angularity. This applies both for the excavation wearsystem and for the transport wear system since these char-acteristics usually are not significantly changed by the excavation process at the face. The water content also hasa considerable influence on the potential wear [6]. This effect can nevertheless be neglected for tunnelling machines with face support or also with open EPB ma-chines or with hydraulic conveyance, since an overabun-dance of water and saturated conditions can normally beassumed.

In the excavation wear system, the bonding strengthof the internal fabric (e.g. the consolidation in coarse-grained soils and the shear parameters c and ϕ (or the con-sistency) in fine and widely-graded soils have a significantinfluence on the magnitude of the exposure, since thesefactors have a direct effect on the excavation resistance. Inthe transport wear system, however, this effect is negligiblesince the original properties of the internal fabric havebeen completely destroyed by the excavation of the mater-ial. It can be assumed that it is above all these factors – of-ten overlooked in methods used until now – that lead tothe fact that direct dependencies between the abrasivenessof the ground and the actual tool wear my be hard to de-termine (see [12]).

A methodical method based on geotechnical-miner-alogical parameters has recently been proposed by Köppland Thuro [13]. Analogously to the determination of theso-called Rock Abrasiveness Index (RAI) [14], a parametercalled the Soil Abrasiveness Index (SAI) is determined inthis process, which considers the equivalent quartz con-tent and the grain size (as a measure of the efficiency ofthe mechanism) and also the excavation resistance (as ameasure for the magnitude of the exposure) in the form ofa theoretically calculated shear strength of the undis-

Transportverschleiß, da diese Merkmale bei den hier be-trachteten Verfahren beim Lösen der Komponenten ausder Ortsbrust meist nicht nennenswert verändert werden.Zusätzlich hat auch der Wassergehalt einen erheblichenEinfluss auf das Verschleißpotenzial [6]. Dieser ist aber beiVortrieben mit Ortsbruststützung bzw. auch bei offenenEPB-Vortrieben oder hydraulischer Materialförderung zuvernachlässigen, da in der Regel von einem Überangebotvon Wasser und gesättigten Zuständen auszugehen ist.

Im System Abbauverschleiß hat vor allem die Festig-keit des Gefügeverbands (d. h. die Lagerungsdichte beigrobkörnigen Böden und die Scherparameter c und ϕ(bzw.die Konsistenz) bei fein- und gemischtkörnigen Böden)maßgeblichen Einfluss auf die Größe der Beanspruchung,da sie einen direkten Einfluss auf den Abbauwiderstandhat. Im System Transportverschleiß ist dieser Einfluss je-doch hinfällig, da die ursprünglichen Eigenschaften desGefügeverbands beim Lösen des Materials vollständig zer-stört werden. Es ist zu vermuten, dass es vor allem diese –bei bisherigen Betrachtungen oft vernachlässigten – Fakto-ren sind, die dazu führen, dass direkte Abhängigkeiten zwi-schen der Abrasivität des Bodens und tatsächlichem Werk-zeugverschleiß oft nicht erkennbar sind (siehe [12]).

Ein methodisch auf geotechnisch-mineralogischenKennwerten aufbauender Ansatz wurde jüngst von Köpplund Thuro [13] vorgestellt. Analog zur Bestimmung dessogenannten Rock Abrasiveness Index (RAI) [14] wird beidiesem Verfahren ein als Soil Abrasiveness Index (SAI)bezeichneter Kennwert bestimmt, der neben dem Äquiva-lenten Quarzgehalt und der Korngröße (als Maß für dieWirksamkeit des Mechanismus) auch den Abbauwider-stand (als Maß für die Größe der Beanspruchung) inForm einer theoretisch berechneten Scherfestigkeit desanstehenden Bodens berücksichtigt. Der hierbei verwen-dete Abbauwiderstand basiert allerdings auf idealisiertenAnnahmen und der Überlagerungshöhe und kann daherggf. von den natürlichen Verhältnissen abweichen. Inähnlicher Art empfehlen Jakobsen et al. [11] eine Ver-knüpfung des SAT-Werts mit einem geotechnischen Para-meter wie der Lagerungsdichte um daraus einen ebenfallsals Soil Abrasiveness Index bezeichneten Wert zu erhal-ten, der so alle relevanten Kennwerte eines Baugrunds be-rücksichtigen soll.

Fig. 3. Schematic layout of LCPC test (left) and NTNU SAT test (right)Bild 3. Schematische Darstellung des LCPC-Tests (links) und des NTNU SAT-Tests (rechts)



turbed ground. The excavation resistance used in this caseis indeed based on idealised assumptions and the overbur-den depth and can thus vary from the natural conditionsin some cases. In a similar manner, Jakobsen et al. [11]proposed a combination of the SAT value with a geotech-nical parameter like the consolidation in order to obtain avalue also described as the Soil Abrasiveness Index, whichis intended to consider all the relevant parameters of theencountered ground.

4.3 Our own experience with the LCPC process

In the course of a test series with the LCPC process at theRuhr University, Bochum, it could be confirmed that themineralogical composition of the components (charac-terised by the equivalent quartz content) has a decisive in-fluence on the LCPC test results as long as other proper-ties, which also affect the abrasiveness, remain constant(Fig. 4, left). This conclusion confirms the results of otherinvestigations [6] and thus contradicts the results de-scribed in Köhler et al. [12], which are apparently based onan insufficient sample set.

It can also be confirmed that grain angularity andgrain size show a much less significant although still mea-sureable influence (Fig. 4, right), which is also in agree-ment with the results described in Drucker [6].

In summary, the tests confirm that the LCPC test canat best reflect an approximation of the efficiency of thewear mechanism. It should however also be pointed outthat non-standardised testing apparatus and testing mate-rials can lead to inaccuracy in the results, which compli-cates quantitative measurement and the comparison ofvalues from different testing institutes. Due to the highsensitivity of the LCPC results to the weighing of the testbody (±0.05 g corresponds to a difference of ± 100 g/t inthe result), even small differences can have a bad effect onthe reliability of the index values. In addition, relevantfractions (fraction d < 4 mm) are not considered in the testdue to the restriction of the tested grain size range to4–6.3 mm.

4.3 Eigene Erfahrungen mit dem LCPC-Verfahren

Im Rahmen von Reihenversuchen mit dem LCPC-Verfah-ren an der Ruhr-Universität Bochum hat sich bestätigt,dass die mineralogische Zusammensetzung der Kompo-nenten (charakterisiert durch den Äquivalenten Quarzge-halt) einen maßgeblichen Einfluss auf das Prüfergebnisdes LCPC-Vesuchs hat, sofern andere abrasivitäts(mit)be-stimmende Eigenschaften unverändert bleiben (Bild 4,links). Diese Feststellung bestätigt die Erkenntnisse ande-rer Untersuchungen [6] und widerspricht damit den inKöhler et al. [12] dargestellten Erfahrungen, die offenbarauf einem für eine derartige Bewertung nicht ausreichen-dem Probenset beruhen.

Es ist zudem festzustellen, dass Kornform und Korn-größe einen weitaus geringeren, aber immer noch feststell-baren Einfluss haben (Bild 4, rechts), was ebenfalls inÜbereinstimmung mit den in Drucker [6] dargestellten Er-kenntnissen ist.

Die Versuche bestätigen zusammenfassend, dass derLCPC-Test allenfalls die Wirksamkeit des Verschleißmecha-nismus näherungsweise abbilden kann. Zusätzlich könnenallerdings durch nicht standardisierte Prüfmaschinen undPrüfmaterialien Ungenauigkeiten im Ergebnis entstehen,die eine quantitative Bewertung und den Vergleich von Wer-ten aus unterschiedlichen Prüfanstalten erschweren. Durchdie hohe Sensibilität des Ergebnisses gegenüber der Wägungdes Prüfkörpers (±0,05 g entspricht einer Differenz von ± 100 g/t im Ergebnis) können sich so bereits kleine Unter-schiede nachteilig auf die Aussagekraft dieses Indexwertsauswirken. Zusätzlich werden durch die Beschränkung desPrüfkornspektrums auf 4–6,3 mm relevante Fraktionen(Fraktion d < 4 mm) bei der Prüfung nicht berücksichtigt.

Da Parameter zur Charakterisierung der Mineralogie,Korngröße und Kornform als herkömmliche geotechni-sche Parameter im Zuge standardisierter Baugrunderkun-dungen ermittelt werden, stellt sich daher abschließend dieFrage ob es nicht sinnvoller ist, die Abrasivitätsbewertungvon vorneherein auf diese herkömmlichen Kennwerte ab-zustellen, ohne die Anschaffung eines aufwändigen Spezi-

Fig. 4. Influences of intrinsic soil parameters on the LCPC wear coefficient ABR: left: Influence of quartz content (definedmixtures of Siligran quartz and marble gravel), right: Influence of grain angularity (mixtures of broken/angular grains andround grains of same mineralogical composition, three analyses per set)Bild 4. Bodenmechanische Einflussfaktoren auf den LCPC-Verschleißkoeffizient ABR: links: Einfluss des Quarzgehalt(Misch reihe aus Siligran-Quarz und Marmorkies), rechts: Einfluss der Kornform (Mischreihe aus gebrochenem und gerunde-ten Korn mit gleicher mineralogischer Zusammensetzung, jeweils dreifache Bestimmung)



Since parameters for the characterisation of mineral-ogy, grain size and grain angularity are determined as con-ventional geotechnical parameters in the course of stan-dardised site investigations, the question arises, if soilabrasiveness assessment based on these conventional pa-rameters may represent a more appropriate approachthan the application of expensive special testing setupswith their own, test-specific imponderabilities.

5 Project examples

A comparison of two current projects is intended to showhow different soil properties can have a widely different ef-fect on the excavation process and the conveyance of theexcavated spoil. The key data of the two projects evaluat-ed for this purpose are collected in Table 1.

5.1 Project example 1

During the tunnelling works on project 1, little wear or noneat all affected the machine or the conveyance equipment on the first construction section with a length of 1.3 km. Tool changing on the cutting wheel was restrictedto two interventions at predetermined locations, which had been planned in advance of the construction works.There were no unplanned interruptions to tunnellingprogress due to the effect of wear. An overview of theground conditions in the section considered here is shownin Table 2.

Shortly after the start of the second constructionsection, which also has a length of 1.3 km, serious wearwas detected to the transport and conveyance equip-ment, which had not been renewed after the first sec-tion. Particularly affected was the pipeline for the hy-draulic conveyance of the excavated spoil from the ma-chine to the separation plant. Right at the machine, theconnection piece from the excavation chamber to theconveyance pipe had to be renewed many times. Repeat-ed leaks in the conveyance pipeline led to interruptionsof tunnelling progress with stoppages of some days. Inaddition, heavy wear was documented to the jets of thehydrocyclone used to separate the sand fraction from

alversuchsgeräts und die damit verbundenen, versuchstech-nischen Unwägbarkeiten in Kauf nehmen zu müssen.

5 Projektbeispiele

Der Vergleich zweier aktueller Projekte soll zeigen, wie un-terschiedlich sich verschiedene Bodeneigenschaften aufden Abbauprozess und den Fördervorgang des gelöstenMaterials auswirken können. Die Eckdaten der beiden be-werteten Projekte finden sich in Tabelle 1.

5.1 Projektbeispiel 1

Bei den Vortriebsarbeiten des Projekts 1 traten auf demersten Bauabschnitt mit ca. 1,3 km Länge wenige bis garkeine Verschleißerscheinungen an der Maschine und denFördereinrichtungen auf. Die Werkzeugwechsel amSchneidrad beschränkten sich auf zwei im Vorfeld derBaumaßnahme geplante Einstiege an festgelegten Positio-nen. Unplanmäßige Vortriebsunterbrechungen aufgrundvon Verschleißerscheinungen fanden nicht statt. EineÜbersicht über die Baugrundverhältnisse innerhalb der be-trachteten Streckenabschnitte findet sich in Tabelle 2.

Kurz nach Beginn des zweiten Bauabschnitts mitebenfalls ca. 1,3 km Länge zeigten sich gravierende Ver-schleißerscheinungen an den Transport- und Förderein-richtungen, die nach dem ersten Bauabschnitt nicht er-neuert wurden. Besonders betroffen waren die Förderlei-tungen durch die das abgebaute Material hydraulisch vonder Maschine zur Separationsanlage geführt wurde. Be-reits im Bereich der Maschine musste das Übergangsstückvon der Abbaukammer zur Förderleitung mehrfach repa-riert werden. Mehrere Leckagen in der Förderleitung führ-ten immer wieder zu Vortriebsunterbrechungen und teil-weise mehrtägigen Stillständen. Zusätzlich wurde ein ho-her Verschleiß an den Düsen der Hydrozyklone dokumen-tiert, die in der Separationsanlage die Sandfraktion ausdem Suspensionskreislauf abtrennten. Ein nennenswerterVerschleiß an den Abbauwerkzeugen wurde bis zum Endedes Vortriebs nicht festgestellt. Auf dem zweiten Bauab-schnitt fanden zwar ebenfalls drei vorsorgliche bzw. tur-nusmäßige Werkzeugwechsel statt, der Verschleiß an den

Table 1. Summary of project conditions Tabelle 1. Projektrahmendaten

Project example 1 Project example 2Projektbeispiel 1 Projektbeispiel 2

Cutting wheel diameter ca. 9.5 m ca. 13 mSchneidraddurchmesser

Number of drag picks 172 268Anzahl Schälmesser

Number of discs/ripper 54 64Anzahl Disken/Ripper

Material conveyance Hydraulic HydraulicMaterialförderung hydraulisch hydraulisch

Ground Quaternary river deposits, Quaternary river deposits,gravel and sand predominantly gravel and sand

Baugrund quartäre Flussablagerungen, quartäre Flussablagerungen,Kies und Sand vorwiegend Kies und Sand



the suspension circuit in the separation plant. No signif-icant wear was noticed to the excavation tools to theend of the tunnel section. In the course of the secondsection, the tools were indeed changed on three occa-sions as a precaution but despite the extremely highquartz content of the ground (with the associated highABR value), the wear to the replaced tools was found tobe slight.

The effects of wear on project 1 can be summarised asfollows:– Excavation wear: no unplanned tunnelling interruptions

due to unexpectedly heavy tool wear; two or three pre-cautionary interventions to change tools on each drive(each about 1.3 km),

– Transport wear: shortly after the start of the second tun-nel section, noticeable wear was detected to the con-veyance pipework and the separation plant (hydrocy-clone); numerous leaks and several unplanned interrup-tions of some days resulted.

5.2 Project example 2

In the course of the tunnelling works on project 2, a rangeof different wear effects to the excavation tools was docu-mented. Altogether, tunnelling was interrupted eight timesto change tools on the section considered here, which isabout 500 m long, despite a relatively low ABR value. Anoverview of the ground conditions in the sections consid-ered here is shown in Table 3. The following wear effectswere documented:– Excavation wear: many unplanned interruptions due to

the unexpectedly high tool wear; particularly many in-terventions to change tools in parts of the drive withdocumented very high consolidation (eight interven-tions /500 m),

ausgebauten Werkzeugen war jedoch trotz des extrem ho-hen Quarzgehalts im Baugrund (und des dadurch hohenABR-Werts) gering.

Die Verschleißerscheinungen für das Projekt 1 kön-nen wie folgt zusammengefasst werden:– Abbauverschleiß: Keine ungeplanten Vortriebsunterbre-

chungen aufgrund von unerwartet hohem Werkzeugver-schleiß; zwei bzw. drei vorsorgliche Einstiege mit Werk-zeugwechsel pro Vortrieb (je ca. 1,3 km),

– Transportverschleiß: Kurz nach Beginn des zweitenBauabschnitts zeigten sich deutliche Verschleißerschei-nungen an Förderleitungen und Separationsanlage (Hy-drozyklone); mehrfache Leckagen und teilweise mehr-tägige ungeplante Vortriebsunterbrechungen waren dieFolge.

5.2 Projektbeispiel 2

Im Zuge der Vortriebsarbeiten für das Projekt 2 wurde ei-ne Reihe unterschiedlicher Verschleißerscheinungen anden Abbauwerkzeugen dokumentiert. Insgesamt fandenauf den hier betrachteten ca. 500 m Vortrieb acht unge-plante Vortriebsunterbrechungen mit Werkzeugwechselnstatt (trotz eines vergleichsweise geringen ABR-Werts). Ei-ne Übersicht über die Baugrundverhältnisse innerhalb derbetrachteten Streckenabschnitte findet sich in Tabelle 3.Folgende Verschleißerscheinungen wurden beobachtet:– Abbauverschleiß: Mehrere ungeplanten Vortriebsunter-

brechungen aufgrund von unerwartet hohem Werkzeug-verschleiß; besonders viele Einstige mit Werkzeugwech-sel in Vortriebsabschnitten mit dokumentierter, sehr ho-her Lagerungsdichte (acht Einstiege/500 m),

– Transportverschleiß: Eine genaue Zuordnung ist hiernicht möglich, da zu Vergleichszwecken nur 500 m desgesamten Vortriebs betrachtet werden

Table 2. Specific values from laboratory testing during excavation Tabelle 2. Kennwerte aus Laboruntersuchungen während der Bauphase (IST-Geologie)

Parameter Project 1 Number of testsKennwert Projekt 1 Anzahl der Versuche

Minimum Average MaximumMinimum Mittelwert Maximum

Equivalent quartz content of the fraction < 2 mm (%) 85 92 95 9Äquivalenter Quarzgehalt der Fraktion < 2 mm (%)

Content (% by weight) of vein quartz, sandstone, 84 92 100 17and greywacke according to petrographical grain analysis of the fraction > 2 mmAnteil (Gew %) an Gangquarz, Sandstein und Grauwacke nach petrographischer Kornanalyse der Fraktion > 2 mm

Content of grains > 2 mm (% by weight) 19 43 72 24Anteil Komponenten > 2 mm (Gew %)

ABR value [g/t] from LCPC test ∼1,200 n. a.ABR-Wert [g/t] aus LCPC-Test ∼1.200

Grain angularity (grain fraction > 2 mm) rounded to slightly rounded 10Kornrauigkeit (Fraktion > 2 mm) gerundet bis angerundet

Packing density (from SPT test) compact 69Lagerungsdichte (aus SPT-Test) mitteldicht



– Transport wear: no precise categorisation is possible atthis stage because only 500 m of the entire tunnel areconsidered here for purposes of comparison.

5.3 Conclusions from the project examples

Comparison of the wear effects and ground propertiesmakes clear that not only the quartz content or the grainangularity are decisive for excavation wear, but have always to be evaluated in combination with the excavationresistance as a value for the level of operational demands.The difference in the excavation resistance can be demon-strated clearly from the prepared machine data from the two projects. In Fig. 5, the cutting wheel pressingforces per square metre of the face are shown in a stan-dardised form corrected for support pressure and other in-fluences (specific contact force of the cutting wheel SCF).While on project example 1 (left), a uniform value ofSCF ≈ 10 kN/m² is determined, on project example 2(right), an average value of SCF > 30 kN/m² is shown forthe section under consideration between tunnel metre4,800 and 5,300. The magnitude of the values is thus inde-pendent of the control of the machine by the driver but re-sults exclusively from the excavation resistance of theground and the condition of the excavation tools and thecutting wheel [7] [10].

Consideration of transport wear to the transport andconveyance equipment shows a different picture. In thiscase it is clear that the quartz content and grain angularityseem to be responsible for the extent of wear to be expect-ed. For wear to the conveyance pipeline, the grading distri-bution of the entire material should also be considered.For the separation plant, each fraction should be consid-ered separately (e.g. sand fraction for the hydrocyclone).

5.3 Fazit aus den Projektbeispielen

Bei der Gegenüberstellung der Verschleißerscheinungenund der Baugrundeigenschaften wird deutlich, dass in Be-zug auf den Abbauverschleiß tatsächlich nicht der Quarz-gehalt oder die Kornform alleine die relevanten Faktorendarstellen, sondern dass diese stets in Kombination mitdem Abbauwiderstand als Kennwert für die technisch-phy-sikalische Beanspruchung bewertet werden müssen. DerUnterschied im Abbauwiderstand lässt sich anhand deraufbereiteten Maschinendaten der beiden Projekte ver-deutlichen. In Bild 5 sind die vom Stützdruck und ande-ren Einflüssen bereinigten Schneidradanpresskräfte aufeinen Quadratmeter Ortsbrustfläche normiert und darge-stellt (spezifische Kontaktkraft Schneidrad SCF). Wäh-rend beim Projektbeispiel 1 (links) ein gleichmäßiger Wertvon SCF ≈ 10 kN/m² gefahren wurde, zeigt sich beim Pro-jektbeispiel 2 (rechts) für den betrachteten Bereich zwi-schen Tunnelmeter 4.800 und 5.300 ein Mittelwert vonSCF > 30 kN/m². Die Größe der Werte ist dabei unabhän-gig von der Steuerung der Maschine durch den Schildfah-rer, sondern resultiert ausschließlich aus dem Abbauwi-derstand des Baugrunds sowie dem Zustand der Abbau-werkzeuge bzw. des Schneidrads [7] [10].

Anders verhält es sich bei der Betrachtung des Trans-portverschleißes an den Transport- und Fördereinrichtun-gen. Hier wird deutlich, dass in erster Linie der Quarzge-halt und die Kornform für die Höhe des zu erwartendenVerschleißes verantwortlich zu sein scheinen. Beim Ver-schleiß in den Transportleitungen sollte ebenfalls dieKorngrößenverteilung des gesamten Materials berücksich-tigt werden. Für die Separierung sollte jede Korngrößen-fraktion individuell bewertet werden (z. B. Sandfraktionfür das System Hydrozyklone).

Table 3. Specific values from site investigation prior to excavation and additional laboratory testing during excavation forthe soils within the considered sections Tabelle 3. Kennwerte aus dem Baugrundgutachten (SOLL-Geologie) und zusätzlichen Laboruntersuchungen während derBauphase (IST-Geologie) für die Gesteine innerhalb des betrachteten Streckenabschnitts

Parameter Project 1 Number of testsKennwert Projekt 1 Anzahl der Versuche

Minimum Average MaximumMinimum Mittelwert Maximum

Equivalent quartz content of the fraction < 2 mm (%) 33 45 59 18Äquivalenter Quarzgehalt der Fraktion < 2 mm (%)

Carbonate content (% by weight) according to 38 55 68 16petrographical grain analysis of the fraction > 2 mmKarbonatanteil (Gew %) nach petrographischer Kornanalyse der Fraktion > 2 mm

Content of grains > 2 mm (% by weight) 65 72 82 6Anteil Komponenten > 2 mm (Gew %)

ABR value [g/t] from LCPC test 320 523 680 20ABR-Wert [g/t] aus LCPC-Test

Grain angularity rounded to rounds edges n. a.Kornrauigkeit gerundet bis kantengerundet

Packing density (from SPT test) compact to very dense 46Lagerungsdichte (aus SPT-Test) mitteldicht bis sehr dicht



6 Discussion

The application of modell mill tests with simplified toolslike the LCPC test or the Wiener Abrasimeter, can at best reflect an approximation of the efficiency of the wear mechanism as part of the relevant system properties.The results of such index tests are, however, affected by inevitable influences due to the testing method, for exam-ple the use of disturbed soil with altered grain size andshape, propeller geometry, and influences of the operator.It thus seems reasonable to instead make use of conven-tional geotechnical-mineralogical parameters of a soil,which are usually well standardised and mostly repro-ducible. Equivalent quartz content, grain angularity andgrain size can be mentioned as relevant parameters in thiscase.

For a reliable evaluation of the wear potential of asoil, the level of operational demands also has to be con-sidered. For this purpose, the determination of the excava-tion resistance as a function of actual state variables likefor example consolidation is suitable. Details are given inmany site geotechnical reports (results of standard pene-tration tests, SPT or dynamic probing DPH) or can also beroughly estimated afterwards from prepared machine data[7] [10]. It can be expected that in fine and widely-gradedsoils, the shear parameters (or consistency) control the ex-cavation resistance similarly to the consolidation incourse-grained non-cohesive soils.

For the evaluation of the potential of a soil to causetransport wear, the geotechnical-mineralogical parametersmentioned here also seem suitable. However, it has to betaken into account that the magnitude of the exposure inthis case does not result from the ground properties butmuch more from the technical conditions of conveyance(e.g. flow speeds).

The following general statements can be made formechanised tunnelling with or without face support ac-cording to the experience described here:– Apart from violent damage, abrasion is always the deci-

sive wear mechanism for mechanised tunnelling in softground.

6 Fazit

Heute übliche, auf sogenannten Verschleißtöpfen beru-hende Indexverfahren wie der LCPC-Test oder das WienerAbrasimeter können allenfalls die Wirksamkeit des Ver-schleißmechanismus als einen Teil der relevanten System-eigenschaften näherungsweise abbilden. Die Ergebnissesolcher Indextests werden jedoch durch versuchstechni-sche Einflüsse, z. B. die Verwendung von gestörten und inseiner Korngröße und Kornform veränderten Bodenmate-rials, Flügelgeometrie, Flügelmaterial, und Einflüsse desBedieners beeinträchtigt. Es erscheint daher durchaussinnvoll, stattdessen auf herkömmliche, in der Regel gutnormierte und weitgehend reproduzierbare geotechnisch-mineralogische Kennwerte eines Bodens zurückzugreifen.Hier sind als relevante Kennwerte vor allem der Äquiva-lente Quarzgehalt, die Kornform und die Korngröße zunennen.

Für eine aussagekräftige Bewertung des Verschleiß-potenzials eines Bodens muss außerdem die Größe dertechnisch-physikalischen Beanspruchung berücksichtigtwerden. Dafür ist die Bewertung des Abbauwiderstandsals Funktion tatsächlicher Zustandsgrößen wie z. B. derLagerungsdichte sinnvoll. Angaben finden sich in vielenBaugrundgutachten (Messergebnisse aus Standard Pene-tration Tests, SPT oder Rammsondierungen, v. a. DPH)bzw. lassen sich ggf. auch nachträglich anhand von auf-bereiteten Maschinendaten grob qualitativ einschätzen[7] [10]. Es ist zu erwarten, dass bei fein- und gemischt-körnigen Böden die Scherparameter (bzw. die Konsis-tenz) den Abbauwiderstand in ähnlicher Weise steuernwie die Lagerungsdichte bei grobkörnigen, nichtbindigenBöden.

Für die Beurteilung des Potenzials eines Lockerge-steins Transportverschleiß zu verursachen, erscheinen dieangeführten geotechnisch-mineralogische Kennwerteebenfalls als grundsätzlich geeignet. Allerdings ist zu be-rücksichtigen, dass die Größe der Beanspruchung hier ih-ren Ursprung nicht in den Baugrundeigenschaften, son-dern viel mehr in den technischen Bedingungen der För-derung (z. B. Strömungsgeschwindigkeiten) hat.

Fig. 5. Specific Contact Force of cutting wheel (SCF) for project 1 (left side) and project 2 (right side) (modified/added from[10]). Locations of tool changes are marked by red dots; obvious peaks in left diagram refer to concrete slot walls Bild 5. Spezifische Kontaktkraft (SCF) am Schneidrad für Projektbeispiel 1 (links) und Projektbeispiel 2 (rechts)(ergänzt/verändert aus [10]). Rote Punkte markieren Werkzeugwechsel; die auffälligen Peaks in der linken Grafik stellenDurchfahrten von Betonschlitzwänden dar



– The wear potential has to be evaluated individually foreach system from the efficiency of the wear mechanismtogether with the level of operational demands.

– Index values like the ABR value or the SAT value have norelevance for the evaluation of the excavation wear po-tential per se, since the essential components of the sys-tem are not considered due to the use of disturbed soilsamples.

– An SAI value [13] calculated from conventional geotech-nical-mineralogical parameters seems to represent apromising approach, with the preconditions that real pa-rameters and state variables are used instead of a theo-retical shear strength and the results of such calcula-tions are verified on future projects.

7 Recommendations

As an alternative to the evaluation of abrasiveness fromcalculated values, two graphical evaluation diagrams arepresented (Fig. 6). From the evaluation of the efficiency ofthe wear mechanism (expressed e.g. through intrinsic soilparameters but also through index values like ABR or SAT)and the magnitude of the exposure (e.g. consolidation inthe excavation wear system or flow speeds in the transportwear system), the corresponding wear potential (VPI) ofthe system can be derived from one of the defined fields.However, it is also the case here that there can be no generally valid diagram for all systems but at least excava-tion wear potential (VPI-A) and transport wear potential(VPI-T) have to be differentiated.

Since the data basis available until now is small, theboundaries of the individual areas are based on valuesfrom experience and will have to be tested and adapted inthe future through intensive documentation of wear ef-fects and actual ground conditions on as many projects aspossible. Such a (validated) evaluation diagram makinguse of the classic geotechnical-mineralogical soil parame-ters can then become an important and suitable aid for theplanning and estimation of tunnel projects.

References

[1] AFNOR: Norme experimentale P18-579: Granulats – Essaid’abrasivité et de broyabilité. – Association Francaise de Nor-malisation, 1990.

[2] ASTM: ASTM G75-07 Standard test Method for Determina-tion of Slurry Abrasivity (Miller Number) and Slurry Abra-sion Response of Materials (SAR Number). American Societyfor Testing and Materials.

[3] DAUB: Empfehlungen zur Auswahl von Tunnelvortriebs-maschinen. Deutscher Ausschuss für Unterirdisches Bauen.Deutscher Ausschuss für unteririschen Bauen e.V., Köln,2010.

[4] DIN EN ISO 14688-1: Geotechnische Erkundung und Un-tersuchung – Benennung, Beschreibung und Klassifizierungvon Boden, Teil 1: Benennung und Beschreibung (ISO 14688-1:2002); German version of EN ISO 14688-1:2002. Berlin,Beuth: 2003.

[5] Drucker, P.: Über die Abrasivität von Lockergestein und denWerkzeugverschleiß im Spezialtiefbau. Dissertation TUWien, 2013.

[6] Drucker, P. (2011): Validity of the LCPC abrasivity coeffi-cient through the example of a recent Danube gravel / Aus-

Folgende generelle Aussagen lassen sich nach den be-schriebenen Erfahrungen für maschinelle Vortriebe mitoder ohne Ortsbruststützung in Lockergesteinen geben:– Abgesehen von Gewaltschäden ist beim maschinellen

Tunnelbau im Lockergestein immer die Abrasion der re-levante Verschleißmechanismus.

– Das Verschleißpotenzial muss für jedes System individu-ell anhand der Wirksamkeit des Verschleißmechanis-mus zusammen mit der Größe der technisch-physikali-schen Beanspruchung bewertet werden.

– Indexwerte wie der ABR-Wert oder der SAT-Wert habenper se für die Bewertung eines Abbauverschleißpotenzi-als keine Relevanz, da durch die Verwendung gestörterBodenproben die wesentliche Komponente des Systemsnicht berücksichtigt wird.

– Ein anhand von herkömmlichen geotechnisch-mineralo-gischen Parametern berechneter SAI-Wert [13] scheinteinen vielversprechenden Ansatz darzustellen, vorausge-setzt es werden anstatt einer theoretischen Scherfestig-keit reale Kennwerte und Zustandsgrößen benutzt, unddie Ergebnisse solcher Berechnungen an zukünftigenProjekten verifiziert.

7 Empfehlungen

Als Alternative zur Abrasivitätsbewertung durch einen be-rechneten Kennwert werden zwei graphische Bewertungs-diagramme vorgestellt (Bild 6). Aus der Bewertung der

Fig. 6. Conceptual schemes for improved diagrams for theassessment of soil abrasiveness related to the wear of exca -vation tools (top) and wear of transportation equipment (bottom). “1”: project example 1; “2”: project example 2.Bild 6. Konzeptuelle Darstellung verbesserter Bewertungs -diagramme für das Potenzial von Lockergesteinen für Ab-bauverschleiß VPI-A (oben) und Transportverschleiß VPI-T(unten). „1“: Projektbeispiel 1, „2“: Projektbeispiel 2.



sagekraft des LCPC-Abrasivitätskoeffizienten am Beispieleines rezenten Donauschotters. Geomechanics and Tun-nelling 4 (2011), No. 6, pp. 681–691.

[7] Düllmann, J., Hollmann, F. S., Thewes. M., Alber, M.: Analy-sis of Soil-Machine-Interactions (Part 1): Processing of TBM-Machine-Data and Extraction of Excavation-specific Data.3rd International Conference on Computational Methods inTunneling and Subsurface Engineering, pp. 621–634. RuhrUniversity Bochum, 2013.

[8] Gesellschaft für Tribologie e.V.: Arbeitsblatt Nr. 7, Tribolo-gie. Aachen, 2002.

[9] Heinrich, R.: Untersuchungen zur Abrasivität von Böden alsverschleißbestimmender Kennwert. Dissertation, TU Berg -akademie Freiberg, 1995.

[10] Hollmann, F.S., Düllmann, J., Thewes, M., Alber, M.:(2013): Analysis of Soil-Machine-Interactions (Part 2): Influ-ences on the Excavation-specific Data of TBM Machine Da-ta. 3rd International Conference on Computational Methodsin Tunneling and Subsurface Engineering, pp. 635–647. RuhrUniversity Bochum, 2013.

[11] Jakobsen, P.D., Bruland, A., Dahl, F: Review and assess-ment of the NTNU/SINTEF Soil Abrasion Test (SATTM) fordetermination of abrasivity of soil and soft ground. Tunnelingand Underground Space Technology 37 (2013), pp. 107–114.

[12] Köhler, M., Maidl, U., Martak, L.: Abrasiveness and toolwear in shield tunnelling in soil / Abrasivität undWerkzeugverschleiß beim Schildvortrieb im Lockergestein.Geomechanics and Tunnelling 4 (2011), pp. 36–54.

[13] Köppl, F., Thuro, K.: Verschleißprognose für Mix-SchildTVM in Lockergesteinen, Beiträge zur 19.Tagung für Inge-nieurgeologie, pp. 55–60. Munich, 2013.

[14] Plinninger, R.J.: (2002): Klassifizierung und Prognose vonWerkzeugverschleiß bei konventionellen Gebirgslösungsver-fahren im Festgestein. Münchner Geologische Hefte, ReiheB, 17 – Angewandte Geologie. München: Hieronymus, 2002.

[15] Plinninger, R.J., Restner, U.: Abrasiveness Testing, QuoVadis? – A Commented Overview of Abrasiveness TestingMethods. Geomechanics and Tunneling 1 (2008), pp. 61–70.

[16] Thuro, K., Singer, J., Käsling, H., Bauer, M.: Abrasivitäts -untersuchungen an Lockergesteinen im Hinblick auf dieGebirgslösung. Beiträge zur 29. Baugrundtagung, pp.283–290. Bremen, 2006.

[17] Nilsen, B., Dahl, F., Holzhäuser, J., Raleigh, P.: (2006a):Abrasivity testing for rock and soils. Tunnels and TunnellingInternational Magazine 38 (2006), no. 4, pp. 47–49.

[18] Nilsen, B., Dahl, F., Holzhäuser, J., Raleigh, P.: (2006b):SAT – NTNU´s new soil abrasion test, Tunnels and Tun-nelling International Magazine 38 (2006), no. 5, pp. 43–45.

Acknowledgement

This paper was a result of the special research area 837 “Inter-action models for mechanised tunnelling” at the Ruhr Universi-ty, Bochum. The authors wish to express their thanks for the fi-nancial assistance of the Deutsche ForschungsgemeinschaftDFG.

Wirksamkeit des Verschleißmechanismus (ausgedrückt z.B. durch intrinsische Bodenkennwerte oder aber auchdurch Indexwerte wie ABR oder SAT) und der Größe derBeanspruchung (z. B. Lagerungsdichte im System Abbau-verschleiß oder Strömungsgeschwindigkeiten im SystemTransportverschleiß), lässt sich aus einem der definiertenFelder das zugehörige Verschleißpotenzial (VPI) des Sys-tems ableiten. Allerdings gilt auch hier, dass es nicht einallgemeingültiges Diagramm für sämtliche Systeme gebenkann, sondern dass zumindest zwischen Abbauverschleiß-potenzial (VPI-A) und Transportverschleißpotenzial (VPI-T) unterschieden werden muss.

Da die bisher zur Verfügung stehende Datenbasis ge-ring ist, basieren die Grenzen der einzelnen Bereiche aufwenigen Erfahrungswerten und müssen in der Zukunftdurch eine intensive Dokumentation von Verschleißer-scheinungen und tatsächlichen Baugrundverhältnissenauf möglichst vielen Projekten vor Ort überprüft und an-gepasst werden. Ein solches (validiertes) Bewertungsdia-gramm unter Verwendung der klassischen geotechnisch-mineralogischen Baugrundkennwerte kann dann aber inder Zukunft ein wichtiges und sinnvolles Hilfsmittel zurPlanung und Kalkulation von Tunnelprojekten darstellen.

Danksagung

Dieser Aufsatz entstand im Rahmen des Sonderforschungsbe-reichs 837 „Interaktionsmodelle für den maschinellen Tunnel-bau“ an der Ruhr-Universität Bochum. Die Autoren bedankensich für die finanzielle Unterstützung bei der Deutschen For-schungsgemeinschaft DFG.

Jan Düllmann, Geologe M.Sc. Ruhr University, BochumFaculty for GeosciencesEngineering GeologyGeological and Rock EngineeringUniversitätsstraße 15044801 Bochum, [email protected]

Prof. Dr.-Ing. Michael AlberRuhr University, BochumFaculty for GeosciencesEngineering GeologyGeological and Rock EngineeringUniversitätsstraße 15044801 Bochum, [email protected]

Dr. Ralf J. PlinningerPG – Dr. Plinninger GeotechnikKirchweg 1694505 Bernried, [email protected]


Diary of Events

BrennerCongress 2014 –Sustainable Alpine Infrastructure20 and 21 February 2014, Innsbruck, Austria

Topics• Brenner Base Tunnel – state of work• Project development of infrastructure

projects• Experiences from large-scale projects• Experiences from small- and middle-

scale projects• Transport and traffic projects• Water engineering and power station

projects

www.brennercongeress.com

aqua alta alpina12 to 14 March 2014, Salzburg, Austria

www.acqua-alta-alpina.at

7th Colloquium “Rock mechanics –Theory and practice”13 to 14 March 2014, Vienna, Austria

Topics• Mechanics of rock slopes and mass

movements including modelling ofrun outs

• Mechanics of foundations in and onrock

• Mechanics of underground excava-tions in rock

www.ig.tuwien.ac.at

Breaking fresh ground in protectingalpine environments – Flood riskmanagement plans25 to 26 March 2014, Graz, Austria

www.interpraevent.de

Zagreb underground27 to 28 March 2014, Zagreb Croatia

Topics• Undergound traffic• Construction in groundwater• Microtunnelling in cities• Underground urbanism

www.itacroatia.eu

19th Christian Veder Kolloquium 24 to 25 April 2014, Graz, Austria

Topic• Support measures in geotechnics –

design, construction and long-term behaviour

www.cvk.tugraz.at/

21th Symposium for RockMechancis and Tunnelling 20146 and 7 May 2014, Stuttgart

Topics• Traffic tunnelling• Hydropower• Nuclear waste storage, fracking,

CO2-storage• Research and development

www.dggt.de

World Tunnel Congress 2014 9 to 15 May 2014, Iguassu Falls, Brazil

Topics• Site investigation and monitoring• Planning and design of underground

structures• Learning from case histories• Tunnels and underground structures

for mining• Tunnels and underground structures

for hydroschemes• Tunnels and underground structures

for storage• Tunnels and underground structures

for high-speed railways• Tunnel operation, safety, maintenance,

rehabilitation, renovation and repair• Innovations in mechanized tunnelling• Innovations in conventional tunnelling• Innovations in cut and cover and

immersed tunnelling• Innovations in materials• Design and construction of shafts• Risk management, contractual and

insurance aspects• Rock tunnelling in South America

www.wtc2014.com.br

Eurock 2014 – Structures on or in rock masses 27 to 29 May 2014, Vigo, Spain

Topics• Rock properties and testing methods• Rock mass characterization• Rock mechanics for infrastructures

• Mining rock mechanics• Design methods and analysis• Monitoring and back analysis• Excavation and support• Rock engineering in quarrying• Preservation of natural stone and

rock weathering• Case histories• Petroleum engineering and

hydrofracking• CO2 storage• Applicability of Eurocode 7 in rock

engineering

www.eurock2014.com

9th Austrian Tunnel Day 8 October 2014

www.ita-aites.at

63th Geomechanics Colloquium 2014 9 and 10 October 2014, Salzburg, Austria

Topics• Tunnel excavation material: waste or

mineral resource?• Full face versus sequential excavation• TBM-specific investigation/tests for

ground characterization• Maintenance and sustainability orient-

ed design

www.oegg.at

21th Lake Constanz Conference17 to 18 October 2014, Meersburg

Topic• Mass movements in the aftermaths

of the flooding incidents in 2013

www.dggt.de/veranstaltungen

43th Geomechanics – Colloquium14 November 2014, Freiberg

Topics• Basic research in rock mechanics• Rock mechanical laboratory tests/

fracture mechanics/salt mechanics • Geothermal energy and rock

mechanics• Applied rock mechanics in mining

and tunnelling

www.tu-freiberg.de/fakult3/gt

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 can be submitted via www.mc.manuscriptcentral.com/geot.

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

137 € 157 € 58 € 26 €212 CHF 243 CHF 89 CHF 40 CHF

205 $ 236 $ 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 2013 until 31st August 2014.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/[email protected]

Editorial staffEditor in chief: Dr.-Ing. Helmut Richter, Ernst & SohnTel.: +49 (0)30/47031-265, Fax: [email protected] editor: Esther Schleidweiler, Ernst & SohnTel.: +49 (0)30/47031-267, Fax: [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. Phien-Wej Noppadol / Asian Institute of Technology

Thailand, Pathumthani 12120ß Prof. Pierpaolo Oreste / Politecnico di Torino

Italy, 10129 Turinß 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. Markus Thewes / Ruhr-Universität Bochum

Germany, 44780 Bochumß Prof. Kurosch Thuro / Technische Universität München

Germany, 80290 Munichß Dr. Alois Vigl / viglconsult

Austria, 6780 Schruns

Advertisement departmentFred Doischer, Ernst & SohnTel.: +49 (0)30/[email protected]

Advertising managerAnnekatrin GottschalkRotherstraße 21, D-10245 BerlinTel.: +49 (0)30/47031-249, Fax: 030/[email protected]

Service for customers and readersWILEY-VCH Kundenservice für Ernst & SohnBoschstraße 12, D-69469 WeinheimTel.: +49(0)8001800536 (within Germany)

+49(0)1865476721 (outside of Germany)Fax: +49(0)[email protected]: www.wileycustomerhelp.comLayout and typesetting: TypoDesign Hecker GmbH, LeimenPrinting: Meiling Druck, Haldensleben© 2014 Wilhelm Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technischeWissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin

Inserts: This issue contains following insert: PR-Beratung + Verlag, CH-5400 Baden; Verlag Ernst & Sohn, 10245 Berlin.

Imprint

RubrikenPreview

Geomechanics and Tunnelling 2/2014

W. Holzleitner, M. Kraft-Fish, R. SteinacherLessons learnt during construction assistance for improvement on contract models

B. Millen, O. Sigl, G. Höfer-ÖllingerGround behaviour of weathered, jointed and faulted Khondalite – examples from the underground crudeoil storage caverns, Visakhapatnam,India

M. Golger, A. KumarPir Panjal Railway Tunnel

M. Palomba, F. Amadini, G. Russo, G. CarrieriChenani-Nashri Tunnel, the longestroad tunnel in India: the “Himalayanchallenge” for design in heterogeneousrock masses

S. R. K. Pillai, S. S. MalkaniExperiences of working on under-ground civil works contracts for strate-gic crude oil storage projects in India

P. ReichenspurnerRohtang Tunnel – A half-time reportRohtang Tunnel – Zwischenbilanznach halber Strecke

Focus on IndiaFokus auf Indien

Der Rohtang Tunnel ist ein ehrgeiziges Bauprojekt im nordindischen Teil des Himalaya-Gebirges. Auf einer Höhe von 3.000 m über NN wird seit 2010 der Tunnel durch den Berggetrieben. Seit Baubeginn konnten viele Erfahrungen auf unterschiedlichen Ebenen gewon-nen werden. Peter Reichenspurner zieht in seinem Beitrag eine Halbzeitbilanz. Das Bildzeigt den Blick in Richtung Tunnelausgang.

The Rohtang Tunnel is an ambitious project in the Himalayas of northern India. Since thebeginning of the excavation in a height of 3,000 m AMSL in 2010 many kinds of experiencewere made which are now being evaluated by Peter Reichenspurner in a half-time report.The picture shows the egress tunnel.

Alles über Tunnelbau

10

36

29

6_d

p

Online Bestellung: www.ernst-und-sohn.de/thema-tunnelbau

Kundenservice: Wiley-VCH

Boschstraße 12

D-69469 Weinheim

Tel. +49 (0)6201 606-400

Fax +49 (0)6201 606-184

[email protected]

Ernst & Sohn

Verlag für Architektur und technische

Wissenschaften GmbH & Co. KG

Handbook of Tunnel Engineering IIBasics and Additional Services for Design and Construction

Betonkonstruktionen im Tunnelbau

Bauprozesse und Bauver-fahren des Tunnelbaus

Rock Mechanics Based on an Anisotropic Jointed Rock Model (AJRM)

Mining Report

Taschenbuch für den Tunnelbau 2014

Geomechanics and Tunnelling

Beton- und Stahlbetonbau

Handbook of TunnelEngineering IStructures and Methods

Handbook of Tunnel EngineeringVol. I and Vol. II

Hardrock Tunnel Boring Machines

Maschineller Tunnelbau im Schildvortriebdeuscht und englisch

Ausgewählte

Titel auch als

erhältlich

Alle Zeitschriften

auch als

erhältlich

journal

Beton-Kalender 2014Schwerpunkte: Unterirdi-sches Bauen – Grundbau – Eurocode 7

Stuctural ConcreteJournal of the fi b

Date post:	31-Mar-2016
Category:	Documents
Upload:	ernst-sohn
View:	314 times
Download:	10 times

Geomechanics and Tunnelling 01/2014 Free Sample Copy

Documents