GIBRALTAR TUNNEL Herausforderungen bei der Planung eines Tunnels an der Grenze der Machbarkeit

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1 GIBRALTAR TUNNEL Herausforderungen bei der lanung eines Tunnels an der Grenze der Machbarkeit A C ETH Zürich 07 May 2009 Andrea anciera D B TEIL DAS ROJEKT (seit seinem Beginn bis heute) 2. TEIL GEOMECHANIK SCHLUSSFOLGERUNGEN

2 DIE LAGE Zwei Kontinente DIE BAUHERREN Société Nationale d Etude du Détroit Morocco Sociedad Española de estudios para la Comunication fija a travès del Estrecho de Gibraltar Spain

3 DER TUNNEL Vorprojekt schon im Die Geologie Das Flysch

4 Die Geologie Das Flysch Die Geologie Mehr oder weniger tektonisierte Zonen

5 DAS MALABATA SCHACHTSYSTEM Und Versuchsschacht in Bolonia, 80 m Tiefe, 4 m Durchmesser TBM Versuchstollen Tarifa, 500 m lang, 3.5 m Durchmesser DER TUNNELQUERSCHNITT

6 A07 Warum? Bucentaur 1997 Norskald 1998 Kingfisher A07 TIEFE BOHRUNGEN A SEA KOMMAND, BUCENTAUR - NORSKALD - KINGFISHER - NAUTILUS -90 HOLAS -92 THERESE -94 BAVENIT HOLAS -92 KOMMAND, SEA NAUTILUS -90 0% THERESE -94 2% 3% BAVENIT % BUCENTAUR % KINGFISHER % NORSKALD % Carottage (1874m) Destructif (1217m) FORAGE COURTS FORAGES ROFONDS 6

7 Lumachellenkalk und darausergebender Sand A07 DIE GRÜNDE DAFÜR A07 DIE GRÜNDE DAFÜR Die Brekzie 7

8 A07 DIE GRÜNDE DAFÜR Die Brekzie A07 DIE GRÜNDE DAFÜR Die Brekzie

9 A07 DIE GRÜNDE DAFÜR Quellerscheinungen im Flysch A07 DIE GRÜNDE DAFÜR Quellerscheinungen im Flysch

10 A07 DIE GEOLOGIE A07 DIE LINIENFÜHRUNG Die Lage der tiefen Bohrungen ist für das rojekt schädlich

11 A07 DIE LINIENFÜHRUNG Vortrieb im Sand ist ausgeschlossen Tiefer Tunnel um einen minimalen hydraulischen Gradient von 5 zu sichern Tunnellänge Unterwasserstrecke Landstrecken Max. Tiefe (ugf.) Gefälle Tunnel 38.5 Km 27 Km 4.4 und 6.7 Km 475 m 30 (2.5 im zentralen Bereich) A07 DIE BAUMETHODE GEZIELTE DRAINAGEBOHRUNGEN DRAINIERTE ZONE Zahlreiche besondere Lösungen: - Formgebung des Schildes - Arbeitsdruck im Kopfkammer - Gezielte Bohrungen - Nicht-sprengende Ausstattung

12 2. TEIL JOB TITLE : Gibraltar A07 - Cas 64 (File: GIB_AI_64) FLAC (Version 5.00) LEGEND 13-Jul-07 9:13 step Flow Time E E+01 <x< 6.400E E+00 <y< 8.400E+01 GEOMECHANIK Annahmen 3D (rotationssymmetrisch) Boundary plot Gekoppelte Analysen (mechanisch/hydraulisch) 0 2E 1 ore pressure contours -7.50E E E E E E E E E E+03 Contour interval= 7.50E Lombardi Ltd. CH-6648 MINUSIO A07 ANNAHMEN FÜR DIE GEOMECHANISCHE ANALYSE MASSGEBENDE BEDINGUNGEN LÄNGS DES TUNNELS Am tiefsten unkt der Trasse, -500 m An der höchsten Meerestiefe, -300 m VENTILATIONS- ERKUNDUNGSTUNNEL sowie BETRIEBS- SICHERHEITSTUNNEL Interner Durchmesser 6 m Ausbruchsquerschnitt Durchmesser 8 m Vollständig wasserdichtes Innengewölbe BETRACHTETE FELSTYEN FLYSCH, Class IV BREKZIE, Class VI Empfindlichkeitsanalyse Effekt der Klassenänderung von der Klasse I bis VI HYDRAULISCHE BEDINGUNGEN In drainiertem und nicht-drainiertem Zustand 12

13 GEOMETRISCHE BEDINGUNGEN FÜR DIE BERECHNUNGEN WASSERSTAND MEERESBODEN Die traditionelle Berechnungsmethode in totalen Spannungen genügt nicht um diese Bedingungen zu modellieren. Die Berechnungen sollen unter Berücksichtigung der effektiven Spannungen und des Wasserdruckes durchgeführt werden FLYSCH IV GRUNDSÄTZLICHE EIGENSCHAFTEN sat = 21.7 kn/m 3 n = E = 1000 Ma Vortriebsgeschwindigkeit = 3 m/tag c = 220 ka Druck an der Ortsbrust = 1 Ma = 22 L Schild =10m k=1e -10 m/s C max.,zulässig = 40 cm

14 BREKZIE GRUNDSÄTZLICHE EIGENSCHAFTEN sat = 21.7 kn/m 3 n = E=200Ma Vortriebsgeschwindigkeit = 3 m/tag c = ka Druck an der Ortsbrust = 1 Ma = L Schild =10m k=1e -10 m/s C max.,zulässig = 40 cm pl =10% D BERECHNUNGEN MIT ROTATIONS-SYMMETRISCHEM MODELL ORTSBRUST ROTATIONSACHSE VORTRIEBSRICHTUNG 125 Berechnungsfälle wurden erzeugt

15 ROTATIONS-SYMMETRISCHES MODELL INNENGEWÖLBE TUNNEL ORTSBRUST 2 Beispiele Brekzie, v = 3 m/j, k = m/s, ohne Drainage Brekzie, v = 3 m/j, k = m/s, mit Drainage Brekzie, v = 3 m/j, k = m/s, ohne Drainage JOB TITLE : Gibraltar A07 - Cas 65 (File: GIB_AI_65) FLAC (Version 5.00) LEGEND 13-Jul-07 9:42 step Flow Time E E+01 <x< 6.400E E+00 <y< 8.400E+01 Material model ss elastic Grid plot 0 2E 1 Fixed Gridpoints -direction Y Y-direction B Both directions ore-pressure Net Applied Forces max vector = 1.297E E 6 Applied ore ressures Lombardi Ltd. CH-6648 MINUSIO YYY YYYYYY Y Y Y Y Y Y Y Y Y B YYY YYYY YY Y Y Y Y Y Y Y Y Y

16 Radiale Spannungen JOB TITLE : Gibraltar A07 - Cas 65 (File: GIB_AI_65) FLAC (Version 5.00) LEGEND 13-Jul-07 9:42 step Flow Time E E+01 <x< 6.400E E+00 <y< 8.400E+01 Boundary plot Bogeneffekt Ortsbrust- Innengewölbe E 1 -stress contours -1.00E E E E E E+00 Contour interval= 1.00E+03 Druckzone vor der Ortsbrust Lombardi Ltd. CH-6648 MINUSIO Tangentiale Spannungen JOB TITLE : Gibraltar A07 - Cas 65 (File: GIB_AI_65) FLAC (Version 5.00) LEGEND 13-Jul-07 9:42 step Flow Time E E+01 <x< 6.400E E+00 <y< 8.400E+01 Boundary plot Wiedererstellung höherer Drucke E 1 ZZ-stress contours -1.00E E E E E E+00 Contour interval= 1.00E+03 Überdruck im Fels Lombardi Ltd. CH-6648 MINUSIO

17 Wasserdruck JOB TITLE : Gibraltar A07 - Cas 65 (File: GIB_AI_65) FLAC (Version 5.00) LEGEND Jul-07 9:42 step Flow Time E E+01 <x< 6.400E E+00 <y< 8.400E+01 Boundary plot Entspannung E 1 ore pressure contours -7.50E E E E E E E E E E+03 Contour interval= 7.50E+02 Lombardi Ltd. CH-6648 MINUSIO Wasserüberdruck wegen Überdruck im Fels lastische Zone JOB TITLE : Gibraltar A07 - Cas 65 (File: GIB_AI_65) FLAC (Version 5.00) LEGEND 13-Jul-07 9:42 step Flow Time E E+01 <x< 6.400E E+00 <y< 8.400E+01 Boundary plot 0 2E 1 lasticity Indicator * at yield in shear or vol. elastic, at yield in past R > 40 m Lombardi Ltd. CH-6648 MINUSIO

18 Vektorielle Deformationen JOB TITLE : Gibraltar A07 - Cas 65 (File: GIB_AI_65) FLAC (Version 5.00) LEGEND 13-Jul-07 9:42 step Flow Time E E+01 <x< 6.400E E+00 <y< 8.400E+01 Boundary plot 0 2E 1 Displacement vectors scaled to max = 1.000E+00 max vector = 3.273E E 0 Randeffekt totale radiale Def > 1.2 m Lombardi Ltd. CH-6648 MINUSIO Konvergenzen des Ausbruchsrandes längs der Tunnelachse JOB TITLE : Gibraltar A07 - Cas 65 (File: GIB_AI_65) FLAC (Version 5.00) LEGEND Ortsbrust 13-Jul-07 10:22 step Flow Time E+08 HISTORY LOT Y-axis : 13 x_disp (FISH) -axis : 12 y_face (FISH) Tübbing-Einbau Lombardi Ltd. CH-6648 MINUSIO 01 (10 ) 18

19 Dieses Verhalten ist heutzutage nicht mit einem mechanisierten Vortrieb verträglich Brekzie, v = 3 m/j, k = m/s, mit Drainage

20 Wasserdruck JOB TITLE : Gibraltar A07 - Cas 64 (File: GIB_AI_64) FLAC (Version 5.00) LEGEND Jul-07 9:13 step Flow Time E E+01 <x< 6.400E E+00 <y< 8.400E+01 Boundary plot 0 2E 1 ore pressure contours -7.50E E E E E E E E E E+03 Contour interval= 7.50E+02 Lombardi Ltd. CH-6648 MINUSIO Entspannung Drainageeffekt Wasserüberdruck wegen Überdruck im Fels lastische Zone JOB TITLE : Gibraltar A07 - Cas 64 (File: GIB_AI_64) FLAC (Version 5.00) LEGEND 13-Jul-07 9:13 step Flow Time E E+01 <x< 6.400E E+00 <y< 8.400E+01 Boundary plot 0 2E 1 lasticity Indicator * at yield in shear or vol. elastic, at yield in past R < 30 m Lombardi Ltd. CH-6648 MINUSIO

21 Vektorielle Deformationen JOB TITLE : Gibraltar A07 - Cas 64 (File: GIB_AI_64) FLAC (Version 5.00) LEGEND Jul-07 9:13 step Flow Time E E+01 <x< 6.400E E+00 <y< 8.400E+01 Boundary plot 0 2E 1 Displacement vectors scaled to max = 1.000E+00 max vector = 1.128E E 0 totale radiale Def > 0.6 m Lombardi Ltd. CH-6648 MINUSIO Konvergenzen des Ausbruchsrandes längs der Tunnelachse JOB TITLE : Gibraltar A07 - Cas 64 (File: GIB_AI_64) FLAC (Version 5.00) LEGEND 13-Jul-07 9:33 step Flow Time E+08 HISTORY LOT Y-axis : 13 x_disp (FISH) -axis : 12 y_face (FISH) -01 (10 ) Ortsbrust Tübbing-Einbau Lombardi Ltd. CH-6648 MINUSIO 01 (10 ) 21

22 ARAMETRISCHE STUDIE TOTALE DEFORMATION KONVERGENZ AN DER ORTSBRUST ORTSBRUST MASSGEBENDE KONVERGENZ FLYSCH IV EFFEKT DER VARIATION DER DURCHLÄSSIGKEIT NICHT MACHBAR 70 C [cm], Cf [cm] C - avec drains C - sans drains Cf - avec drains Cf - sans drains valeur limite E E E E k [m/s] 22

23 BREKZIE EFFEKT DES DRUCKES AN DER ORTSBRUST RESULTATE UND ANMERKUNGEN Unter der Bedingung aktiver Drainage, ist der Vortrieb weniger empfindlich auf Durchlässigkeit. Beim TBM-Stillstand, das Drainieren ist notwendig. Bei einem Druck an der Ortsbrust von knapp 1 Ma (10 Bar), sind die Bedingungen für die Machbarkeit durch die Brekzie sehr fraglich und der Ingenieur sollte sehr vorsichtig sein, einen solchen Tunnel als machbar zu beurteilen. Die Grenzkonvergenz zwischen Brust und Tübbingring ist offenbar erreicht. Das Drainagesystem und eine genügend tiefe Vortriebsgeschwindigkeit scheinen Bedingung zu sein, um die nötigen Konsolidierungen zu erlauben. Eine zusätzliche Anforderung scheint die Erhöhung des Druckes an der Ortsbrust aber der angenommene Wert liegt jedoch schon an der Grenzen der heutigen Erfahrung. Bei höherem Druck verbessern sich die Bedingungen um der Brust und der TBM. Diese Anforderung oder Wunsch wird Sache weiterer Entwicklung der TBM-Technik

24 VARIATION DER FELSEIGENSCHAFTEN TYE [ ] c [ka] E [Ma] III IV V VI max VI VARIATION DER FELSEIGENSCHAFTEN VI VI ma V IV III ungefähre Grenze als bis 1996 bekannt C [cm], Cf [cm] NOTWENDIGKEIT WEITERER UNTERSUCHUNGEN C - avec drains C - sans drains Cf - avec drains Cf - sans drains 30 valeur limite Résistance à la compression uniaxiale [ka] 24

25 SCHLUSSBEMERKUNGEN Langzeitwirkende Lasten - Wasserdruck (5 Ma) - Minimaler effektiver Druck - Bemerkung: Quellen ist noch nicht im Modell betrachtet Annahme: totaler natürlicher Spannungszustand 7.4 Ma wird berücksichtigt Die Strömungskräfte sind massgebend für die Stabilität der plastischen Zone während des Vortriebes Der Drainageeffekt um die Orstbrust ist wichtig - Reduzierung der Strömungskräfte um den Hohlraum - Verbesserung der Stabilitätsverhältnisse - Reduzierung der Konvergenzen zwischen Ortsbrust und Tübbingring Effekt eines Stillstandes der TBM - Risiko von Schildeinklemmen während der Drainageausführung - Notwendigkeit eines genügen hohen Druckes an der Ortsbrust