Uetliberg Tunnel: Key Structure for. Uetlibergtunnel: Schlüsselbauwerk der Westumfahrung Zürich. the Zurich West and. Bypass. Schweiz Switzerland

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1 Schweiz Switzerland Uetlibergtunnel: Schlüsselbauwerk der Westumfahrung Zürich O. Schnelli, D. Marti, St. Maurhofer, J. Bolliger Am 4. Mai 2001 erfolgte der Anschlag am letzten und mit 4,4 km längsten Tunnel der Westumfahrung von Zürich. Bisher wurden rund 720 m Lockergesteinsvortrieb in der Kernbauweise erfolgreich aufgefahren. Im Folgenden werden der Lockergesteinsvortrieb sowie der TBM- und TBE-Vortrieb, mit der zur Anwendung gelangenden Hinterschneidtechnik, im Detail vorgestellt. Uetliberg Tunnel: Key Structure for the Zurich West Bypass O. Schnelli, D. Marti, St. Maurhofer, J. Bolliger The excavation of the final and with 4.4 km the longest tunnel for the Zurich West Bypass started on May 4, So far some 720 m has been driven through soft ground thanks to the successful application of the core construction method. In the following, the soft ground drive as well as the TBM and TBE drives with the back-cutting technology that was applied, will be presented in detail. Projektbeschreibung Wie in TUNNEL 4/98, 4/99, 4/00 und 4/01 bereits dargestellt, verbindet der Uetlibergtunnel als längster Tunnel der Westumfahrung von Zürich die Umfahrung Birmensdorf (N20.1.4) im Westen mit der bestehenden Nationalstraße Zürich Chur Otto Schnelli, Dipl.-Bauingenieur HTL, Baudirektion des Kantons Zürich, Tiefbauamt, Abt. National- und Hauptstraßen, Zürich/CH Daniel Marti, Dipl.-Bauingenieur ETH/Wirtschaftsingenieur FH, Projektleiter Amberg Ingenieurbüro AG, Regensdorf/CH Stefan Maurhofer, Dipl.-Bauingenieur FH, Chefbauleiter, Amberg Ingenieurbüro AG, Regensdorf/CH Josef Bolliger, Dipl.-Bauingenieur HTL, Projektleiter, ARGE Uetli, Stallikon/CH (A3) im Osten. Der Tunnel verbindet damit das Verkehrsdreieck Zürich West mit dem Verkehrsdreieck Zürich Süd (Bild 1). Das Projekt umfasst zwei parallele Röhren von je rund 4,4 km Länge. Diese sind alle 300 m mit einem begehbaren und alle 900 m mit einem befahrbaren Querschlag verbunden. Der Abstand der SOS-Nischen beträgt 150 m. Am West- und Ostportal befindet sich je eine Portalstation mit technischen Räumen. Der Tunnel fällt vom Westportal im Wannenboden zum Ostportal beim Gänziloo mit einem Gefälle von 1,6 % (Bild 2). Im Reppischtal in Landikon ist eine unterirdische Lüftungszentrale angeordnet, die über einer ebenfalls unterirdischen Verkehrsüberleitung zu liegen kommt. Der Tunnel wird im Normalfall durch die natürliche Längslüftung/Kolbenwirkung in bei- Project Description As already indicated in TUNNEL 4/98, 4/99, 4/00 and 4/01, the Uetliberg Tunnel, the longest for Zurich s West Bypass links the Birmensdorf Bypass (N20.1-4) in the west with the existing Zurich Chur national highway (A3) in the east. The tunnel thus connects the Zurich West and Zurich South triangles (Fig. 1). The project embraces two parallel bores each some 4.4 km in length. They are connected by man-size crosscuts at 300 m intervals and by means of cross-passages allowing access to vehicles every 900 m; SOS bays are set up at 150 m gaps. There are portal stations with technical facilities at the eastern and western portals. The tunnel dips with a gradient of 1.6 % (Fig. 2) from the western portal at Wannenboden to the eastern portal at Gänziloo. An underground ventilation centre has been set up in the Reppisch Valley in Landikon, which is also connected by an underground transport link. Normally, the tunnel is ventilated through the natural longitudinal venti- Otto Schnelli, Dipl.-Bauingenieur HTL, Baudirektion of the Canton of Zurich, Foundation Engineering Office, Dept. for National Highways and Trunk Roads, Zurich/CH Daniel Marti, Dipl.-Bauingenieur ETH/Wirtschaftsingenieur FH, Project Manager Amberg Ingenieurbüro AG, Regensdorf/CH Stefan Maurhofer, Dipl.-Bauingenieur FH, Principal Construction Manager, Amberg Ingenieurbüro AG, Regensdorf/CH Josef Bolliger, Dipl.-Bauingenieur HTL, Project Manager, Uetli Joint Venture, Stallikon/CH 58 Tunnel 4/2002

2 Uetlibergtunnel Uetliberg Tunnel den Röhren belüftet. Für die Röhre Basel wird eine Umweltlüftung installiert, die es erlaubt, die aus dem Tunnel heranströmende Luftmenge vor dem Portal Wannenboden abzusaugen. Die Luft wird im Kanalnetz längs der Tunnelröhren über der Zwischendecke zur Lüftungszentrale Reppischtal zurückgeführt und von dort über den Abluftstollen/Schacht Eichholz ins Freie ausgeblasen (Bild 3). Geologie Von Westen nach Osten unterfährt der Uetlibergtunnel die zwei parallel laufenden Hügelzüge Ettenberg und Uetliberg. Dazwischen liegt das Reppischtal, welches das Tunnelbauwerk in zwei unabhängige, bergmännisch zu erstellende Tunnels unterteilt. Dabei 1 Nationalstraßen im Raum Zürich 1 National highways in the Zurich area handelt es sich um den rund 710 m langen Eichholztunnel unter dem Ettenberg und den 3,45 km langen Uetlibergtunnel unter dem gleichlautenden Hügelzug (Bild 4). Der Kern beider Hügelzüge besteht aus flach gelagerten Schichten der oberen Süßwassermolasse, einer Wechlation/piston effect in both tubes. An environmental ventilation has been installed for the Basle tube, which makes it possible to suction off the air emerging from the tunnel in front of the Wannenboden portal. The air is returned in the duct network along the tunnel tubes via the intermediate ceiling to the Reppisch Valley ventilation centre and released into the open via the waste air tunnel/shaft at Eichholz. Geology From west to east the Uetliberg Tunnel passes beneath the Ettenberg and Uetliberg chains of hills. The Reppisch Valley is located in between so that the tunnel is split up into two independent tunnels to be produced by mining means, namely the roughly 710 m long Eichholz Tunnel below the Ettenberg and the 3.45 km long Uetliberg Tunnel beneath the chain of hills with the same name (Fig. 4). Essentially both chains of hills comprise flatly bedded fresh water molasse layers, interchanging strata of hard sandstone banks and soft Tunnel 4/

3 Schweiz Switzerland sellagerung von harten Sandsteinbänken und weichen Mergelschichten. Die maximale Überlagerung des Tunnels unter dem Uetliberg beträgt ca. 320 m. Zum Erreichen der Molassestrecken Eichholz (500 m) und Uetliberg (2800 m) sind die drei Lockergesteinsabschnitte Gjuch, Diebis und Juchegg aufzufahren. Bauablauf Aus der Baugrube Reppischtal, welche in Etappen bis ins Jahr 2003 realisiert wird, erfolgt der fallende Vortrieb unter dem Uetliberg hindurch zum Verkehrsdreieck Zürich Süd in den Raum Brunau. Seit Frühling 2001 werden aus der Baugrube Reppischtal in Landikon die beiden Tunnelröhren der Lockergesteinsstrecke Diebis (LG-DIE = 2 x 240 m) in der Kernbauweise aufgefahren. Die Nordröhre (Tunnelröhre Basel) hat den Molassefels erreicht, und die Startkaverne für die spätere Ausweitungstunnelbohrmaschine wurde sprengtechnisch ausgebrochen. Seit Anfang April 2002 wurde die Tunnelbohrmaschine TBM (Wirth TB III 500 E, Durchmesser 5,00 m) in der Tunnelröhre Basel installiert, mit welcher seit Mitte Mai 2002 die gesamte Molassestrecke des Uetlibergs (MO-UET = 2 x 2800 m) aufgefahren wird. Nach dem Auffahren der Molassestrecke wird der Pilotstollen von 5 m Durchmesser mit einer Ausweitungstunnelbohrmaschine (TBE) mit Hinterschneidtechnik ab Frühjahr 2003 auf das endgültige Profil von 14,20 bis 14,40 m ausgeweitet. Der Ausbruch eines Pilotstollens mit einer TBM, gefolgt von einer Ausweitung mit einer TBE, wird 2 Übersicht Projekt N4.1.5 Uetlibergtunnel 2 Overview of Uetliberg Tunnel N4.1.5 project anschließend in der Röhre Chur wiederholt (Bild 5). Aus der Baugrube Gänziloo (Seite Brunau) erfolgt seit Februar 2002 der steigende Vortrieb der Lockergesteinsstrecke Juchegg (LG-JUC = 2 x 410 m). Die ersten Meter (ca. 60 m) des Tunnelvortriebes werden im Uetliberglehm im Schutze eines Rohrschirms ebenfalls in der Kernbauweise realisiert. Seit Anfang April 2002 erfolgt auch der fallende Vortrieb aus der Baugrube Wannenboden unter dem Ettenberg hindurch in Richtung der Baugrube im Reppischtal. Zuerst wird hier die Lockergesteinsstrecke Gjuch (LG-GJU = 2 x 210 m) aufgefahren und im Anschluss die 500 m lange Molassestrecke Eichholz (MO-EIC) (Bild 6). marl layers. The maximum overburden of the tunnel below the Uetliberg amounts to some 320 m. Three soft rock sections Gjuch, Diebis and Juchegg have to be driven to reach the Eichholz (500 m) and Uetliberg (2,800 m) molasse sections. Construction Sequence 3 Unterirdische Lüftungszentrale in Landikon 3 Underground ventilation centre at Landikon The drives dips from the Reppischtal excavation, which is to be completed in stages by 2003, beneath the Uetliberg to the Zurich South intersection in the Brunau area. From the Reppischtal excavation at Landikon, the two tunnel bores for the Diebis soft ground section (LG-DIE= 2 x 240 m) have been tackled by the core construction method since spring The North tube (Basle tunnel tube) has reached the molasse field and the starting cavern for the subsequent enlargement tunnel boring machine has been driven by drill + blast. At the beginning of April 2002, the tunnel boring machine TBM (Wirth TB III 500 E, 5.00 m diameter) was set up in the Basle tube. Since mid-may, it has been used to drive the entire molasse section of the Uetliberg (MO-UET = 2 x 2,800 m). Once the molasse section has been driven, the pilot heading will be enlarged from 5 m diameter as from spring 2003 using an enlargement tunnel boring machine (TBE) with back-cutting technology to reach the final cross-section of to m. Subsequently, the excavation of a pilot heading using a TBM, followed by its enlargement with a TBE will be repeated in the Chur tube (Fig. 5). Since February 2002, the Juchegg soft ground section has been driven on the rise (LG-JUC = 2 x 410 m). The first metres (approx. 60 m) of the tunnel drive are also produced using the core construction method in Uetli loam protected by a pipe umbrella. Since the start of April 2002 the drive dipping beneath the Ettenberg in the direction of the Reppischtal excavation has been undertaken from the Wannenboden excavation. In this case, the Gjuch soft 60 Tunnel 4/2002

4 Uetlibergtunnel Uetliberg Tunnel Projektelemente und Vortriebsverfahren Normalprofile Lockergesteinsstrecken und Molassestrecke Eichholz Das Hufeisenprofil, das in allen Lockergesteinsstrecken und in der Molassestrecke Eichholz zur Anwendung kommt, misst in der Breite rund 14,70 m und in der Höhe rund 12,70 m. Die Ausbruchfläche beträgt ca. 143 bis 148 m 2 (Bild 7). Vortrieb Lockergesteinsstrecken Gjuch, Diebis und Juchegg Alle Lockergesteinsstrecken werden in der Kernbauweise aufgefahren. Die Ausbruchsicherung in den Lockergesteinsabschnitten besteht generell aus Stahlbögen (HEM- 180-Träger, Abstand 1 m) und 25 cm dickem, stahlfaserbewehrtem Spritzbeton. Vortrieb Molassestrecke Eichholz Der rund 500 m lange Abschnitt unter dem Ettenberg (Molassestrecke Eichholz) wird sprengtechnisch unterteilt in Kalotte, Strosse und Sohle ausgebrochen. Normalprofil Molassestrecke Uetliberg Das Normalprofil der rund 2800 m langen Molassestrecke Uetliberg weist eine Breite von 14,40 m bei einer Höhe von 14,20 m auf. Die Ausbruchfläche beträgt ca. 160 m 2 (Bild 8). Vortrieb Molassestrecke Uetliberg Der Tunnelausbruch erfolgt mit einer Tunnelbohrmaschine (Durchmesser 5,0 m) und einer ihr folgenden Ausweitungstunnelbohrmaschine mit Hinterschneidtechnik. Mit der Ausweitungsmaschiground section (LG-GJU = 2 x 210 m) is first driven prior to the 500 m long Eichholz section (MO-EIC) being tackled (Fig. 6). Project Elements and Driving Methods Standard Cross-Sections for the soft Ground Sections and the Eichholz Molasse Section The horse-shoe cross-section, which is applied in all soft ground sections and in the Eichholz molasse section, is some m wide and roughly m high. The excavated area ranges from about 143 to148 m 2 (Fig. 7). The Gjuch, Diebis and Juchegg soft Ground Section Drives All soft ground sections are to be driven using the core construction method. Generally speaking, the excavation in the soft ground sections is supported by steel arches (HEM-180 girders, set 1 m apart) and 25 cm thick, steel fibre reinforced shotcrete. Eichholz Molasse Section Drive The roughly 500 m long section beneath the Ettenberg (Eichholz molasse section) is produced by drill + blast divided up into crown, bench and floor. Stand Cross-Section of the Uetliberg Molasse Section The standard cross-section of the around 2,800 m long Uetliberg molasse section is m wide and m high. The excavated area amounts to about 160 m 2 (Fig. 8). The Uetliberg Molasse Section Drive The tunnel is driven using a tunnel boring machine (5.0 m Tunnel 4/

5 Schweiz Switzerland cutterhead. The seal, the floor, the cable duct (prefabricated elements) and the backfilling at the sides are produced beneath the back-up. The lining and the intermediate ceiling are installed in stages in the rear zone. 4 Geologisches Längenprofil mit Vortriebsverfahren 4 Geological longitudinal section with driving methods ne wird der vorgängig gefräste Pilotstollen auf den vollen Querschnitt von 14,20 bis 14,40 m Durchmesser aufgefahren. Die Sicherung, bestehend aus Seilankern, Swellex-Ankern, Netzen und Spritzbeton (Möglichkeit zum Stahleinbau ist vorhanden) wird direkt hinter dem Bohrkopf eingebaut. Unter dem Nachläufer werden die Abdichtung, die Sohle, der Werkleitungskanal (vorfabrizierte Elemente) und die seitliche Hinterfüllung erstellt. Die Verkleidung und die Zwischendecke werden in Etappen im rückwärtigen Bereich eingebaut. Teilquerschnitte erfolgte wie folgt: Beidseitige obere Paramentstollen 2 x 17,35 m 2 Beidseitige untere Paramentstollen 2 x 22,55 m 2 Kalotte 24,30 m 2 Kern 26,66 m 2 Sohle 16,84 m 2 Total 147,60 m 2 diameter) and a follow-up enlargement tunnel boring machine with back-cutting technology. The previously cut pilot heading is enlarged with the TBE to reach the full to m cross-sectional diameter. The support comprising cable core, Swellex rockbolts, meshing and shotcrete (it is also possible to place steel) is installed directly behind the Findings in the Diebis soft Ground Section As already mentioned, the soft ground sections are driven via the core construction method (Figs ). Distribution into seven part cross-sections is as follows: upper wall headings at both sides 2 x m 2 lower wall headings at both sides 2 x m 2 crown m 2 core m 2 floor m 2 total m 2 Wall Heading Drives The upper wall headings were produced metre for metre using small excavators and sealed with an approx. 5 cm thick shotcrete layer directly after excavation. The steel supports (HEM 180) were then placed at 1 m gaps protected by the seal. Furnace-dried, Bisherige Erfahrungen Lockergesteinsvortrieb Diebis Wie bereits erwähnt, werden die Lockergesteinsstrecken in der Kernbauweise aufgefahren (Bild 9 und 10). Die Aufteilung in die sieben 5 Vortriebsrichtungen und -technik 5 Driving directions and technology 62 Tunnel 4/2002

6 Uetlibergtunnel Uetliberg Tunnel Paramentstollenvortrieb Die oberen Paramentstollen wurden in Meter-Schritten mittels Kleinbagger ausgebrochen und direkt nach dem Ausbruch mit einer ca. 5 cm dicken Spritzbetonschicht versiegelt. Im Schutze der Versiegelung wurde in Meter-Abständen der Stahleinbau (HEM 180) eingebaut. Auf Grund der raschen Verfügbarkeit und zur Erhöhung der Arbeitssicherheit wurde für die Versiegelungsschicht ofengetrockneter, vorgefertigter Trockenspritzbeton gewählt. Nach einem weiteren Ausbruch erfolgt das Zuspritzen der Einbauträger mit Stahlfaser- Nassspritzbeton. Infolge Wasseranfalls und zur Erhöhung der Arbeitssicherheit mussten zeitweise im Vortriebsbereich zusätzliche Sicherungsmittel wie Spieße, Netze und Dränagerohre im Firstbereich eingebaut werden. Die oberen Paramentstollen wurden, im Hinblick auf ihre Entwässerungswirkung für den Kalottenausbruch, dem gesamten Tunnelquerschnitt vorauseilend vorgetrieben. Der Bereich der unteren Paramentstollen wurde im Abstand von m mit denselben Sicherungselementen nachlaufend ausgebrochen. Brustankerung mit neun 15 m langen Stahl-Selbstbohrankern und einer Überlappung von 3 m Zusätzlich bei Wasservorkommen Dränagerohre in der Ortsbrust. Der Ablauf für den Einbau der Sicherungselemente erfolgte analog dem Paramentstollenvortrieb. Die zusätzlichen Maßnahmen waren entscheidend für die Arbeitssicherheit im Kalottenvortrieb und die Reduktion der Deformationen beim Ausbruch der Kalotte. Abbau des Kerns Zur Reduktion der Deformationen im Gesamtprofil musste der Sohlringschluss im Abstand von 40 m zur Kalottenbrust erfolgen. Eine zusätzliche Bedingung war, dass die inneren Paramentstollenwände erst 6 m hinter der Kalottenbrust abgebrochen werden konnten. Auf Vorschlag der Unternehmung wurde der Kern nicht senkrecht wie ursprünglich pre-fabricated dry-mix shotcrete was chosen on account of its speedy availability and to enhance working safety. The girders were covered with steel fibre wet-mix shotcrete after a further round was completed. Additional safety measures such as lances, meshing and drainage pipes had to be installed in the roof section on some occasions in the driving zone owing to the presence of water and to enhance working safety. The upper wall headings were driven in advance on account of their dewatering effect for the crown excavation. The lower wall heading sector excavation followed up at a distance of m using the same supporting elements. Crown Drive A 20 m long pipe umbrella consisting of 29 pipes, with a diameter of mm, was produced in the starting phase for the crown drive spanning approx. 8 m. The following were agreed on as ancillary measures in conjunction with the pipe umbrella (Fig. 11): roof support with lances, diameter 30 mm, length 4 m face anchoring with nine 15 m long steel self-drilling bolts with a 3 m overlap drainage piping in the face in the event of water incidence. The support elements were installed in similar fashion to the wall heading drive. The additional measures were decisive for working safety in the crown drive and reducing deformations during the crown excavation. Removing the Core The floor ring closure had to be undertaken at a distance of 40 m from the crown face to reduce the deformations in the overall cross-section. A further condition was that the inner wall heading walls could be produced only 6 m behind the crown face. The JV proposed that the core should be removed via a ramp down to the floor excavation rather Kalottenvortrieb Für den Kalottenvortrieb mit einer Spannweite von ca. 8 m wurde in der Startphase ein 20 m langer Rohrschirm, bestehend aus 29 Rohren, mit einem Durchmesser von 152,4 mm ausgeführt. Als Bauhilfsmaßnahmen im Anschluss an den Rohrschirm wurden folgende Elemente festgelegt (Bild 11): Firstsicherung mit Spießen Durchmesser 30 mm, Länge 4 m 6 Bauablauf 6 Construction sequence Tunnel 4/

7 Schweiz Switzerland geplant, sondern mittels einer Rampe bis zum Sohlausbruch abgebaut. Sohlausbruch, Ringschluss Sobald eine Länge von 12 m in der Kalotte ausgebrochen war, wurden die Arbeiten auf den Sohlausbruch umgestellt. Dieser erfolgte in 12-m-Etappen von der Tunnelbrust her Richtung Portal. Es wurde jeweils ein Teilausbruch von 3 bis 4 m geöffnet, in welchem die Versiegelungsschicht, der Stahleinbau und Stahlfaser-Nassspritzbeton eingebracht wurden. Mit diesem rücklaufenden Vorgehen musste die Schüttung der Fahrpiste im Sohlbereich nicht laufend vor Kopf über dem frisch gespritzten Nassspritzbeton ausgeführt werden (Bild 12). Bei anfallendem Bergwasser musste darauf geachtet werden, dass das Wasser vor dem Einbringen der Versiegelungsschicht aus dem Sohlbereich entfernt werden konnte. Dafür wurden zusätzliche Entwässerungsmaßnahmen wie Noppenbahnen und Sickergräben sowie Pumpschächte eingebaut. Resultate der Bauwerksüberwachung Die messtechnische Überwachung der Tunnelvortriebe erfolgt mit verschiedenen Messeinrichtungen wie Piezometer, 3-D-Konvergenzmessungen, Extensometer, Distometer, Profilaufnahmen und Stahldehnungsmessgeber (Strain Gauges). Deformationsmessungen Die Verformungen/Bewegungen der Ausbruchsicherung wurden mit optischen 3-D-Konvergenzmessungen, Distometermessungen und Profilaufnahmen überwacht. Die Konvergenzmessungen 7 Normalprofil Lockergesteinsstrecken und Molasse Eichholz 7 Standard cross-section for the soft ground sections and Eichholz molasse zeigten, dass sich beim Vortrieb des oberen Paramentstollens bei rd. 20 m Überlagerung praktisch noch keine messbaren Verformungen einstellten. Beim Ausbruch des unteren Paramentstollens setzten sich die oberen Paramentstollen um rd. 2,5 cm. Gleichzeitig konnte mit den Distometermessungen eine horizontale Querschnittsverengung von 1 bis 1,5 cm festgestellt werden. Nach dem Ausbruch der Kalotte wurden Verformungen von bis 1 cm gemessen. Beim Ringschluss wurden dann nochmals rund 3 cm an Verformungen registriert, was zu Gesamtverformungen von 8 Normalprofil Molasse Uetli 8 Standard cross-section for Uetli molasse than perpendicularly as originally planned. Floor Excavation, Ring Closure As soon as a 12 m section of the crown was produced, operations then concentrated on the floor excavation. This took place in 12 m stages from the tunnel face in the direction of the portal. In each case, a part excavation of 3 to 4 m was produced, in which the sealing layer, the steel supports and the steel fibre wet-mix shotcrete were placed. Thanks to this procedure, there was no need to constantly fill the road in the floor area over the freshly sprayed wet-mix shotcrete (Fig. 12). Care had to be taken to ensure that if underground water was present it was removed from the floor area prior to placing the sealing layer. Towards this end, additional dewatering measures such as napped membranes and seepage trenches as well as pump shafts were installed. Tunnel Monitoring Results The technical monitoring of the tunnel drives is effected with various measuring appliances such as piezometers, 3-D convergence measurements, extensometers, distometers, profile imaging and steel expansion measuring units (strain gauges). Deformation Measurements The deformations/movements of the excavation support were monitored by means of optical 3-D convergence measurements, distometer measurements and profile imaging. The convergence measurements displayed that practically no recordable deformations took place while driving the upper wall heading given roughly 20 m overburden. During the excavation of the lower wall heading, the upper wall heading settled by roughly 2.5 cm. At the same time, it was possible to determine a horizontal constriction of the cross-section of 1 to 1.5 cm by means of the distometer measurements. After producing the crown, deformations of up to 1 cm were recorded. Further deformations of roughly 3 cm were observed when the ring was closed so that the total deformations amounted to 7 cm. The profile images taken 64 Tunnel 4/2002

8 Uetlibergtunnel Uetliberg Tunnel ca. 7 cm führte. Die zu verschiedenen Zeitpunkten vor, respektive nach dem Ringschluss gemachten Profilaufnahmen zeigten Werte in der gleichen Größenordnung. Die vorgängig durch den Projektverfasser gerechneten Verformungswerte lagen bei rd. 5 bis 10 cm. Der Vergleich der effektiv gemessenen Deformationen mit der Gesamtverformung hat die Rechenwerte bestätigt. Ausweitungs-TBE mit Hinterschneidtechnik In der Molassestrecke Uetli kommt im Frühjahr 2003 eine Ausweitungs-TBE mit Hinterschneidtechnik zum Einsatz. Der Bohrkopf wird zurzeit durch die Firma Wirth AG und der Nachläufer durch die ARGE Uetli für den Einsatz vorbereitet. Die einzelnen Elemente dieses Verfahrens haben sich in der Praxis bereits mehrfach bewährt (Aufweitungsmaschinen bei über 14 km Vortriebslänge) oder sind in 9 Kernbauweise (Vortrieb Lockergesteinsstrecke Diebis) 9 Core construction method (Diebis soft ground section drive) ausgedehnten Versuchen in Deutschland und Kanada erprobt (Hinterschneidtechnik), aber zusammen noch nie eingesetzt worden. Ausweitungsmethode Die Ausweitungsmethode erlaubt das großflächige mechanische Auffahren des Tunnelquerschnittes mit einer sich den angetroffenen at various points in time prior to as well as following closure of the ring displayed values of the same magnitude. The deformation values previously worked out by the project engineer amounted to some 5 to 10 cm. Comparison with the effectively measured deformations and the overall deformation confirms the calculated values. Enlargement TBE with Back-Cutting Technology In spring 2003, an enlargement TBE with back-cutting technology will be applied in the Uetli molasse section. Currently the cutterhead is being prepared by the Wirth AG and the back-up by the Uetli Consortium. The individual elements for this method have proved themselves in practice on a number of occasions (enlargement machines given more than 14 km driven length) or have been tried out in extensive tests in Germany and Canada (back-cutting technology) but have never been applied in conjunction with one another. Enlargement Method The enlargement method allows large-area mechanised driving of the tunnel crosssection using immediate rock supporting that adjusts to the geological conditions that are encountered. This results in considerable savings both with respect to rock support- Tunnel 4/

9 Schweiz Switzerland geologischen Verhältnissen anpassbaren, unmittelbaren Felssicherung. Gegenüber der konventionellen Ausweitung ergeben sich infolge des schonenden Ausbruchs und des kreisrunden statisch günstigen Profils beträchtliche Einsparungen sowohl an den Felssicherungsmitteln als auch an der Tunnelverkleidung (Überprofilbeton). Die Ausweitungs-TBE, die am Uetlibergtunnel eingesetzt wird, basiert im Wesentlichen auf der Vortriebsinstallation, wie sie bereits im Tunnel de Paracuellos (Spanien) und beim Tunnel de Sauges (Schweiz) erfolgreich eingesetzt wurde. Da die vom Unternehmer offerierte TBE-Variante auf der vorhandenen und erprobten Vortriebsinstallation aufbaut, können die Installationskosten für die Bereitstellung einer Tunnelbohrmaschine in dieser Größenordnung in einem vergleichsweise niedrigen Rahmen gehalten werden. Hinterschneidtechnik In enger Zusammenarbeit mit dem Hersteller der Ausweitungsmaschine hat die ARGE Uetli die technischen Möglichkeiten für den Einsatz der Erweiterungsmaschine mit einer neuen Schneidmethode, dem Hinterschneiden, evaluiert. Die Hinterschneidtechnik ist seit Beginn der Bohrtechnik mit Tunnelbohrmaschinen als wirkungsvolles Schneidprinzip bekannt. Bei diesem Verfahren arbeiten die Schneidrollen gegen die im Vergleich zur Druckfestigkeit wesentlich geringere Zugfestigkeit des Gesteins. Arbeitsprinzip der Hinterschneidtechnik mit TBE Der Bohrkopf der Erweiterungsmaschine besteht wie m m m m m m 10 Teilquerschnitte der Kernbauweise 10 Part cross-sections of the core construction method bisher aus einem zweigeteilten Bohrkopfgrundkörper sowie sechs Bohrarmen. Der Bohrkopf dreht sich auf der im Pilotstollen und im großen Tunnelquerschnitt verspannten und gelagerten Innenkelly. Die Schneidrollen sind sowohl axial als auch radial zur Tunnelachse versetzt und auf radial verschiebbaren Schlitten auf den Bohrarmen angeordnet. Beim Drehen des Bohrkopfs und m m 2 11 Bauhilfsmaßnahmen für den Kalottenvortrieb 11 Ancillary measures for the crown drive m ing measures as well as the tunnel lining (over-break concrete) compared with conventional enlargement thanks to the smooth approach and the circular statically favourable profile. The enlargement TBE, which is applied at the Uetliberg Tunnel, is by and large, based on the tunnelling installation, which was previously used with success in the Tunnel de Paracuellos (Spain) and the Tunnel de Sauges (Switzerland). As the TBE variant offered by the contractor is based on the existing and tested machine, the installation costs for providing a tunnel boring machine of this size, could be kept relatively low. Back-Cutting Technology The manufacturer evaluated the technical possibilities for applying the enlargement machine with a new cutting method, back-cutting in close cooperation with the Uetli Consortium. Back-cutting technology has been recognised as an effective cutting principle since tunnel boring machines have been employed in drilling technology. In the case of this method, the cutter rollers operate against the tensile strength of the rock, which is substantially lower than the compressive strength. Working Principle of Back-Cutting Technology with TBE The enlargement machine s cutterhead also consists of a two-section cutterhead basic frame and six bor- 66 Tunnel 4/2002

10 Uetlibergtunnel Uetliberg Tunnel 12 Sohlausbruch mit Ringschluss 12 Floor excavation with ring closure gleichzeitigem radialem Verschieben der Schlitten beschreibt jede Rolle eine spiralförmige Bahn um die Tunnelachse. Durch das Voreilen der jeweils äußeren Rolle entsteht eine treppenförmige Ortsbrust, sodass jede Schneidrolle das Gebirge gegen eine freie Fläche (Hinterschneidprinzip) abschert. Beim Bohrbeginn eines so genannten Abschlags (axiale Abbaustrecke pro Radialhub der Schlitten) starten z. B. die inneren Schneidrollen in der Pilotbohrung und die weiter außen angeordneten Rollen in der zuletzt gebohrten Stufe der inneren Rolle. Die Länge des Abschlags ist maximal auf den axialen Versatz der Schneidrollen auf einem Schlitten begrenzt (SA = 200 mm). Kleinere Abschläge können in Abhängigkeit von der Gebirgsfestigkeit gewählt werden. Beim Drehen des sechsarmigen Bohrkopfs mit jeweils sechs Schneidrollen pro Arm werden gleichzeitig 36 Schneidrollen auf sechs um 60 versetzten Spiralspuren von eiing arms. The cutterhead turns on the tensioned inner kelly running on bearings in the pilot heading and in the large tunnel cross-section. The cutter rollers are offset both axially as well as radially to the tunnel axis and arranged on radially movable cradles. When the cutterhead turns and the cradles move radially at the same time, each roller describes a spiral-shaped path around the tunnel axis. A step-formed face is created through the outer rollers advancing so that each cutter rollers shears off the rock against a free area (back-cutting principle). At the start of boring (axial excavation section per radial stroke of the cradles), the inner cutter rollers e.g. start in the pilot bore and the rollers arranged further towards the outside in the stage previously bored by the inner roller. The length of the round is restricted to the axial displacement of the cutter rollers on a cradle (SA = 200 mm). Smaller rounds of advance can be selected according to the rock strength. Tunnel 4/

11 Schweiz Switzerland nem inneren auf einen äußeren Bohrdurchmesser verschoben (p x z A). Nach Erreichen des Nenn- Bohrdurchmessers (14,00 m) werden die Schlitten wieder radial auf den kleinsten Durchmesser (4,50 m) zurückgezogen. Anschließend wird der Bohrkopf axial um einen Abschlag (z. B. SA max. 200 mm) verschoben und der nächste Schritt beginnt. Da die Schubkräfte der Meißel im Gegensatz zum herkömmlichen Schneidverfahren in radialer Richtung aufgebracht werden, heben sich die Kraftkomponenten des Vorschubs durch die diametral entgegengesetzte Anordnung der Bohrarme auf. Durch die kleine Zahl der Schneidrollen (sechs pro Bohrarm) mit einem Andruck von ca kn/cutter reduziert sich das erforderliche Drehmoment am Bohrkopf für das Lösen des Gebirges ebenfalls beträchtlich. Der Wegfall der großen Andruckkräfte (Vorschub) und der damit hohen Drehmomentbelastungen der Tunnelbohrmaschine erlaubt die Vergrößerung des Bohrkopfs bei einer bestehenden TBM. Mit der TBE 500/1440 H/HAST können Strecken, Stollen und Tunnel mit einer Pilotbohrung von 4,70 5,00 m Durchmesser in standfestem, bohrbarem Gebirge auf Durchmesser von 14,00/14,40 m erweitert werden. Der nachfolgend beschriebene Bohrkopf ist zum Erweitern von 4,70 m auf 14,40 m Durchmesser nach dem Hinterschneidverfahren konzipiert. 13 Bohrkopf-Grundkörper 13 Cutterhead base frame Bohrkopf Ein Erweiterungsbohrkopf, ausgelegt für Bohrdurchmesser 14,00/14,40 m bei 4,70 m Pilotdurchmesser, besteht aus dem Bohrkopf-Grundkörper, der aus Transportgründen aus zwei Teilen besteht, und sechs angeschraubten Erweiterungsarmen. Auf jedem der Erweiterungsarme ist ein radial verschiebbarer Schlitten mit je sechs Schneidrollen montiert. Die Schneidrollenhalter für Einringdisken sind treppenförmig versetzt angeordnet, sodass eine maximale, axiale Abschlagslänge beim Hinterschneiden von 200 mm möglich ist. In den Schneidrollenhaltern eingeschraubte Einsatzstücke dienen zur Aufnahme der Schneidrollen und können bei Beschädigung schnell ausgetauscht werden. Die Schiebeschlitten sind auf Gleitflächen geführt, wodurch der Bohrdurchmesser zwischen 14,00 m und 14,40 m stufenlos eingestellt werden kann (Bild 13+14). When the six-arm cutterhead with six cutter roller per arm turns 36 cutter rollers are simultaneously moved over six spiral paths offset by 60 from an inner to an outer bore diameter (p x z A). After the nominal boring diameter is arrived at (14.00 m), the cradles are again retracted radially to attain the smallest diameter (4.50 m). Subsequently, the cutterhead is moved axially by a round (e.g. SA max. 200 mm) and the next step begins. As the thrusting forces of the bits are directed in a radial direction in contrast to the conventional cutting method, the thrust force components are cancelled out by the diametrically opposed arrangement of the cutter arms. Through the low number of cutter rollers (six per cutter arm) with a contact pressure of approx kn/cutter, the torque required at the cutterhead for removing the rock is also considerably reduced. The fact that there is no need for large contact pressure forces (thrust) and the in turn, high torque loads of the tunnel boring machine allows the cutterhead of an existing TBM to be enlarged. The TBE 500/1440 H/HAST is capable of enlarging roadways, headings and tunnels with a m pilot bore in stable, cuttable rock to a 14.00/14.40 m diameter. The cutterhead described in the following is designed to enlarge from 4.70 to m 14 Längsschnitt Bohrkopf und Kraftfluss 14 Longitudinal section of cutterhead and power flow 68 Tunnel 4/2002

12 Uetlibergtunnel Uetliberg Tunnel Vorteile der Kombination TBE mit Hinterschneidtechnik Mit dem Hinterschneidprinzip resultieren geringere Kräfte auf die TBM (Hauptlager, Innenkelly). Somit stand dem Einsatz/Umbau einer bereits vorhandenen Maschine nichts im Wege. Weitere Vorteile der von der ARGE gewählten Vortriebseinrichtung sind: Geringerer Energieaufwand für Ausbruch Kurze Bohrkopfkonstruktion, da Wegfall der Vorschubkräfte in Tunnelrichtung, dadurch Felssicherung nahe an Ortsbrust möglich Lokaler Überschnitt des Kreisprofils möglich Einsparungen Massen durch optimale Anpassung des Ausbruchs; Felssicherung bei Maschinenstillstand zwischen den Bohrarmen möglich Geringere Staubentwicklung durch geringere Zerstörung des Bohrgutes Schonender Gebirgsausbruch im Bereich Brust/Pilotstollen, da keine Belastung des Gebirges parallel zum Pilotstollen. Nachteile gegenüber einer konventionellen Schild-TBM Konventionelle Sicherung bestimmt Vortriebsleistung (Felsklassen) Materialstückigkeit abhängig von den vorhandenen Schichtpaketen Bohrwerkzeugwechsel vor Bohrkopf Sicherheit durch Schild im L1 nicht vorhanden. Beschreibung der Tunnelausweitungsmaschine Die Grundmaschine der Tunnelbohrerweiterungsmaschine TBE 450/1440 besteht diameter using the back-cutting method. Cutterhead An enlargement cutterhead, devised for a boring diameter of 14.00/14.40 m given 4.70 m pilot diameter comprises a cutterhead basic frame, which consists of two parts to enable it to be transported more easily and six enlargement arms that are bolted on. A cradle that can move radially with six cutter rollers is mounted to each enlargement arm. The cutter roller holders for single ring discs are offset in a step-shaped arrangement so that a maximum axial length of advance of 200 mm is possible for back-cutting. The inserts screwed into the cutter roller holders serve to retain the cutter rollers and can be quickly replaced in the event of damage. The moving cradles are guided over sliding planes so that the boring diameter can be set between and m as required (Figs ). Advantages of the TBE with Back-Cutting Technology Combination Lower forces act on the TBM (main bearing, inner kelly) through the back-cutting principle. As a result, nothing stands in the way of the application/conversion of an already existing machine. Further advantages of the driving method selected by the consortium are: less energy required for the excavation shorter cutterhead design, thus doing away with thrusting forces in the tunnel direction, making rock supporting close to the face possible Tunnel 4/

13 Schweiz Switzerland Tabelle 1: Technische Daten der TBE 450/1440 Bohrkopf Diameter, nom. Dn = 14,00/14,40 m Bohrkopfantrieb 10 x 250 = 2500 kw Drehmoment, nom knm Drehzahl Bohrkopf 0 3,7 rpm. Drehmoment, max. bei n = 2,8 rpm knm Schneidrollen Ortsbrust 36 Stück ED/H LKG 3 Vorschub Andruck Bohrkopf kn Bohrhub 1500 mm Vortriebsgeschwindigkeit 0 4 m/h Vorschubzylinder 4 Stück Zylinderdurchmesser 400/300 mm Hydraulikdruck 300 bar Verspannung Verspannkraft kn Verspannplatten 12 Stück Zylinder 24 Stück Zylinderdurchmesser 275/200 mm Max. Hydraulikdruck 300 bar Förderband Bandbreite 1200 mm Elektrische Ausrüstung Installierte elektr. Leistung 2800 kw Transformer 4000 kva Eingangsspannung V/50 Hz Motorspannung 660 V/50Hz Table 1: Technical Data of the TBE 450/1440 Cutterhead diameter, nom. Dn = 14.00/14.40 m cutterhead drive 10 x 250 = 2,500 kw torque, nom. 4,800 knm speed cutterhead rpm torque, max. given n = 2.8 rpm 6,430 knm Cutter Rollers face 36 ED/H LKG 3 Thrust contact pressure cutterhead 15,000 kn cutting stroke 1,500 mm rate of advance 0 4 m/h thrusting cylinders 4 in all cylinder diameter 400/300 mm hydraulic pressure 300 bar Tensioning tensioning force 42,500 kn tensioning plates 12 in all cylinders 24 in all cylinder diameter 275/200 mm max. hydraulic pressure 300 bar Conveyor Belt belt width 1,200 mm Electric Equipment installed elect. Output 2,800 kw transformer 4,000 kva input voltage 10,000 V / 50 Hz motor voltage 660 V / 50 Hz Gewicht TBE und Nachläufer ca t Weight of TBE and Back-Up approx. 1,000 t aus folgenden Baugruppen (siehe auch Tabelle 1): Bohrkopf mit Bohrgutschaufeln und Kratzern Innenkelly mit Bohrkopflagerung und Antrieb Außenkelly mit Verspannung Maschinen- und Bohrkopfabstützung Nachläufer, Antriebsaggregate, Hydrauliktank, Steuerhydraulik mit Tank, elektrische Schaltanlage und Steuerstand. Montagen und Ummontagen Die Pilot-TBM sowie die TBE werden vor dem Portal in der Baugrube Landikon teilweise vormontiert und dann zur Startkaverne der Röhre Basel transportiert, wo die Endmontage erfolgt. Nach dem Auffahren der Röhre Basel werden die TBM sowie die TBE in der Demon- Tabelle 2: Am Bau Beteiligte Table 2: Parties involved in Construction local overcutting of the circular cross-section possible Bauherrschaft/Client Baudirektion Kanton Zürich, Tiefbauamt, Abt. National- und Hauptstraßen, Zürich/CH Baudirektion Canton of Zurich, Foundation Engineering Office, Dept. for National Highways and Trunk Roads, Zurich/Ch Projekt- und Bauleitung/Project and Construction Management Amberg Ingenieurbüro AG, Regensdorf-Watt/CH Ausführung/Contractor Arbeitsgemeinschft Uetli/Uetli Joint Venture Zschokke Locher AG Murer AG Prader AG Tunnelbau CSC Bauunternehmung AG Wayss und Freytag AG Alpine Mayreder Bau GmbH Spaltenstein Hoch + Tiefbau AG Weitere Informationen unter/further info under (Bauherrschaft/client) wwww.uetlibergtunnel.ch (Projektverfasser/project designer) (Bauunternehmer/contractor) material masses are saved through optimal adaptation of the excavation; rock supporting possible between the cutter arms when the machine is at a standstill lower dust development as the material is destroyed to a lesser degree smooth rock excavation at the face/pilot heading as there is no load on the rock parallel to the pilot heading. disadvantages compared with conventional Shield TBMs conventional supporting governs the rate of advance (rock classes) material size depends on the series of strata that are present cutter tools have to be replaced in front of the cutterhead no shield to provide safety in L1. 70 Tunnel 4/2002

14 Uetlibergtunnel Uetliberg Tunnel tagekammer demontiert und durch den Tunnel zurücktransportiert. Für das Auffahren der Röhre Chur werden sie dann in der dafür vorbereiteten zweiten Startkaverne wieder montiert (Bild 15). Stand der Arbeiten Lockergesteinsstrecke Diebis Die Arbeiten der Lockergesteinsstrecke Diebis sind abgeschlossen. Die Montagekavernen in beiden Röhren wurden erstellt. In der Röhre Basel ist die TBM für den Pilotstollen betriebsbereit. Der Vortriebsbeginn ist Mitte Mai 2002 erfolgt. Lockergesteinsstrecke Juchegg (Vortrieb von Seite Zürich) Im Februar 2002 wurde mit dem Vortrieb der Lockergesteinsstrecke Juchegg begonnen. Die Vortriebe liegen in beiden Röhren zurzeit im Bereich des Rohrschirms (bis ca. Tm 50 ab Portal). Lockergesteinsstrecke Gjuch (Vortrieb von Seite Wettswil) Der Vortrieb der Lockergesteinsstrecke Gjuch wurde in beiden Röhren im April 2002 in Angriff genommen. Die Vortriebe liegen in der Startphase. Transportstollen Die Tunnelbaustelle in Landikon wird über eine Förderbandanlage mit einer Bahnverladeanlage im Raum Filderen/Wannenboden erschlossen. Das Förderband verläuft dabei in einem eigens dazu erstellten Transportstollen. Mit den Voreinschnitten des Transportstollens wurde am 16. November 2000 begonnen. Ab dem 20. Februar 2001 wurde im Bereich Landikon mit einem 15 Montage der Pilot-TBM im April Assembly of the pilot TBM in April 2002 Lockergesteinsvortrieb im Schutze eines Rohrschirms gestartet. Am 10. Mai 2001 hat eine Tunnelbohrmaschine mit Durchmesser 3,72 m den Vortrieb Richtung Filderen aufgenommen. Der Durchschlag des Transportstollens erfolgte am 20. September Die Förderbänder für den Abtransport des Ausbruchmaterials und den Antransport von Betonkies sind seit März 2002 in Betrieb. Abluftschacht Eichholz Die Vorbereitungsarbeiten wie Rodung und Voraushub wurden im Jahre 2001 abgeschlossen. Zurzeit laufen die Arbeiten am Schachtvortrieb. Description of the Tunnel Enlargement Machine The basic machine for the tunnel boring enlargement machine TBE 450/1440 constitutes the following elements (please also see Table 1): cutterhead with shovels for the cuttings and scrapers inner kelly with cutterhead bearing and drive outer kelly with tensioning machine and cutterhead support back-up, drive aggregates, hydraulic tank, control hydraulics with tank, electric switching unit and control stand. Assembly and Reassembly The pilot TBM as well as the TBE are partly preassembled in front of the portal at the Landikon excavation and then transported to the starting cavern for the Basle tube, where final assembly is carried out.after the Basle tube is driven, the TBM and the TBE will be dismantled in the disassembly chamber and transported back through the tunnel. They will then be reassembled in the second starting cavern foreseen for the Chur tube (Fig. 15). Stage reached by the Work Diebis soft Ground Section The work on the Diebis soft ground section is completed. The assembly caverns in both tubes have been produced. The TBM for the pilot heading is ready for operation in the Basle tube. The drive commenced in mid-may Juchegg soft Ground Section (Drive from the Zurich Side) Work on driving the Juchegg soft ground section began in February At present the drives in both tubes are located in the pipe umbrella zone (up to approx. Tm 50 from the portal). Gjuch soft Ground Section (Drive from the Wettswil Side) Tunnelling in the Gjuch soft ground section was started up in both tubes in April 2002.The drives find themselves in the starting phase. Transport Heading The tunnelling site in Landikon is connected with a rail loading facility in the Filderen/Wannenboden area via a conveyor belt system. The conveyor belt runs in its own transport heading. The pre-cuts for the transport heading were started on November 16, A soft ground drive protected by the pipe umbrella began on February 20, 2001 in the Landikon area. On May 10, 2001, a 3.72 m diameter tunnel boring machine commenced driving in the direction of Filderen. The transport heading was cut through on September 20, The conveyor belts for removing the excavated material and for supplying the concrete gravel have been in operation since March Eichholz Waste Air Shaft The preparatory operations such as uprooting and the advance excavation were concluded in At present, work is forging ahead on driving the shaft. Tunnel 4/

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