Forschungsprojekt E!3160 TISROCK. Endbericht

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1 Forschungsprojekt E!3160 TISROCK Endbericht Stand: 18/12/2006 erstellt von Univ.Prof. DI Eckart Schneider unter Mitarbeit von DI Matthias Türtscher Arbeitsbereich für Baubetrieb, Bauwirtschaft und Baumanagement Fakultät für Bauingenieurwissenschaften Leopold Franzens Universität Innsbruck

2 E!3160 TISROCK INHALTSVERZEICHNIS 1. Einleitung Struktur und Organisation Projektteam Struktur des Abschlussberichtes Zielsetzung, Zielerreichung und Forschungsergebnisse Work Package 1: Maschinentechnik Angestrebte Ziele Erreichte Ziele und Forschungsergebnisse Nicht erreichte Ziele Work Package 2: Ausbau Angestrebte Ziele Erreichte Ziele und Forschungsergebnisse Fotobeilage Work Package 3: Geotechnische Analyse Angestrebte Ziele Erreichte Ziele und Forschungsergebnisse Work Package 4: Numerische Modellierung Objctive of the study Modelling approach Results of the analyses Work Package 5: Baubetriebliche Modellierung Angestrebte Ziele Erreichte Ziele und Forschungsergebnisse Nicht erreichte Ziele Zusammenfassung und Resümee Anhang - Literaturverzeichnis Im Zuge der Forschungsarbeit sind von den Projektbeteiligten folgende Beiträge veröffentlicht worden: Geplante Veröffentlichungen über alle Arbeitspakete:... 39

3 E!3160 TISROCK Seite 1 1. Einleitung Die Kurzbezeichnung TISROCK steht für TBM Tunnelling In Squeezing Rock oder TBM-Vortrieb in druckhaftem Gebirge. Österreichs Tunnelbauer und Planer zählen zur Weltelite des Tunnelbaus. Die Neue Österreichische Tunnelbaumethode ist eine wichtige Grundlage für Beauftragungen der heimischen Bauwirtschaft im In- und Ausland. Sie ist die heute weltweit am meisten angewendete Baumethode für konventionellen (zyklischen) Tunnelvortrieb. Doch Bedürfnisse und Anforderungen ändern sich. Gefordert werden immer längere Tunnel, oftmals mit zwei getrennten Röhren für Richtungsverkehr (was die Gesamtlänge der Tunnel verdoppelt), kürzere Bauzeiten und geringere Baukosten. Weiters verlangt der soziale Fortschritt humanere Arbeitsbedingungen und Arbeitsplätze mit geringerem Unfallrisiko. Diese Forderungen können nur mit einem hohen Mechanisierungsgrad und durch Einführung industrieller Produktionsmethoden erfüllt werden. Parallel zum konventionellen Tunnelbau hat sich deshalb der maschinelle Vortrieb mit TBM als ein hoch mechanisiertes Bauverfahren etabliert. Seit Beginn der 70-er Jahre findet diese Baumethode immer weitere Verbreitung. Das Forschungsprojekt TISROCK entstand aus der Motivation heraus, für die anstehenden Alpentransversalen, vor allem den Brenner Basistunnel, ein System für den maschinellen Vortrieb mit Schild- TBM und Tübbingausbau zu entwickeln, welches die für druckhafte Verhältnisse notwendigen Konvergenzen (Gebirgsverformungen) zulässt. Unter druckhaftem Gebirge wird dabei ein überbeanspruchtes Gebirge verstanden, das nur unter Zulassung größerer Verformungen ( 50 mm bei 10,0 m Bohrdurchmesser) durchörtert und mit technisch und wirtschaftlich vertretbarem Aufwand ausgebaut werden kann. Das hier vorgestellte Forschungsprojekt dient der Weiterentwicklung bestehender Schildmaschinenvortriebssysteme, speziell werden die Teilbereiche Maschinentechnik Ausbau Geotechnische Analyse Numerische Modellierung Baubetriebliche Modellierung behandelt. Die im Forschungsprojekt erarbeiteten Vorschläge und Lösungen sollen die Auffahrung langer, druckhafter Strecken mit Tunnelvortriebsmaschinen ermöglichen. Dadurch können die Baukosten und die Bauzeit langer Eisenbahntunnel wesentlich reduziert werden. Für Projekte wie z.b. den Brenner- Basistunnel würden die Realisierungschancen dadurch wesentlich verbessert. Das wirtschaftliche Ziel des Forschungsprojektes liegt in der Reduzierung der Herstellungskosten für Verkehrswege im Alpenraum, um die europäischen Verkehrsverbindungen effizient und rasch verbessern zu können.

4 E!3160 TISROCK Seite 2 Ziel des Forschungsvorhabens TBM- Vortrieb in druckhaftem Gebirge in wissenschaftlicher Hinsicht ist es, die Spannungsänderungen im Zuge des Vortriebs und deren Auswirkungen auf die Vortriebsmaschine und den Ausbau zu analysieren und darzustellen. Die Ermittlung der zu erwartenden Lasten auf Ortsbrust, Schildmantel und Ausbau dient dazu, die Vortriebsmaschine und den Ausbau entsprechend dimensionieren zu können. Zum Erreichen der Aufgabenstellung soll das geotechnische Modell den Einfluss der Vortriebsgeschwindigkeit und die Wirkung einer nachgiebigen Stützung des Hohlraumrandes berücksichtigen.

5 E!3160 TISROCK Seite 3 2. Struktur und Organisation 2.1. Projektteam Projektorganisation PROJEKTLEITER Prof. E. Schneider (i3b, UIBK) Stellv.: M. John (TC, IBK) Teilprojekt 1 Teilprojekt 2 Teilprojekt 3 Teilprojekt 4 Teilprojekt 5 Maschinentechnik Ausbau Geotechnische Analyse Numerische Modellierung Baubetriebliche Modellierung Teilprojektleiter (TPL) Teilprojektleiter (TPL) Teilprojektleiter (TPL) Teilprojektleiter (TPL) Teilprojektleiter (TPL) W. Gütter (Jägerbau) A. Vigl (viglconsult) M. John (TC, IBK) A. Graziani (DISG, Rom) W. Leitner (i3b, UIBK) Das Forschungsprojekt wurde von einer internationalen Arbeitsgruppe mit Mitarbeitern aus Österreich, Deutschland und Italien durchgeführt: Nat. Kategorie Projektpartner Mitarbeiter Work Package (A) Universität Innsbruck Baubetrieb, Bauwirtschaft und Baumanagement (i3b) Univ. Prof. DI Eckart Schneider Univ. Ass. Dr. Wolfgang Leitner WP 5 Projektleiter (A) TU Graz Felsmechanik und Tunnelbau Univ. Prof. Dr. Wulf Schubert WP 2 (I) Universität Rom (La Sapienza) Dipartimento di Ingegneria Strutturale e Geotecnica Univ. Prof. Dr. Allesandro Graziani WP 4 Univ. Prof. Dr. Renato Ribacchi WP 4 (A) Jäger Bau G.m.b.H. DI Wolfgang Gütter WP 1 Baufirma (I) Seli S.p.a. DI Paulo Romualdi WP 1 (A) Tübbing Hersteller Katzenberger GmbH &Co KG Ing. Patrick Posch WP 2 (D) Maschinenhersteller Wirth GmbH DI Detlef Jordan WP 1 (A) Ingenieurbüro Viglconsult ZT (A) Ingenieurkonsulent Tunnelkonsulenten (TC) DI Dr. Alois Vigl WP 2 DI Andreas Walter WP 2 DI Dr. Max John PL Stv, WP 3 DI Bruno Mattle WP 3

6 E!3160 TISROCK Seite Struktur des Abschlussberichtes Im vorliegenden Bericht werden in Kurzform sämtliche Forschungsziele, Zielerreichungen bzw. Nichterreichungen sowie die wichtigsten Forschungsergebnisse zusammengefasst dargelegt. Auf detaillierte Beschreibungen oder ergänzende Unterlagen wird lediglich verwiesen. Die angestrebten Ziele sowie geplante Maßnahmen zur Zielerreichung gemäß Projektbeschreibung waren die Folgenden: Workpackage 1: Maschinentechnik workpackage 1 Maschinentechnik Ziel Maßnahmen Arbeitsgruppen Teilprojektleiter (TPL) 1.1. Möglichkeit für Überschnitt in der - ausfahrbare Aussenmeißel - (A,ff) JÄGER Bau GmbH Dipl.-Ing. W.Gütter (Jäger Bau) Größenordnung von mind. R = 20 cm - verstellbare Buckets - (A) Viglconsult ZT Batloggstr durchmesserverstellbarer Schild - (S) IBBB A-6786 Schruns Tel.: +43 (0) Kontrolle der Materialförderung - pressure relieve-gates - (EU) WIRTH GmbH Fax: +43 (0) Umrüstung Band / Schnecke - (EU) SELI SpA mobil: +43 (0) Zusatzmaßnahmen - Bohr- und Versetzeinrichtung für w.guetter@jaegerbau.com - vorauseilende Sicherung Spiesse, Rohrschirm und Injektionen - Gebirgsverbesserungen - Bohreinrichtung für lange Brustanker - Vorauserkundung - Injektionen - Entwässerung - Bohreinrichtungen - Ankerung - Messeinrichtungen Workpackage 2: Ausbau workpackage 2 Ausbau Ziel Maßnahmen Arbeitsgruppen Teilprojektleiter (TPL) 2.1. Reduktion der Randspannungen - verformbarer Tübbingausbau unter - (A,ff) Viglconsult ZT und Umlagerung der Kräfte Verwendung von Stauchelementen - (A) Katzenberger GmbH & Co KG - Rippentübbinge - (S) IBBB Dr. A.Vigl (viglconsult) Batloggstr. 36 A-6780 Schruns Tel.: +43 (0) Fax: +43 (0) mobil: +43 (0) alois.vigl@viglconsult.at 2.2. aktive und gleichzeitige nachgiebige - Ringspalt mit Druck verfüllen - gesondertes Projekt Stützung des Hohlraumrandes - Stützung des Hohlraumrandes durch komprimierbaren Mörtel

7 E!3160 TISROCK Seite 5 Workpackage 3: Geotechnische Analyse bereits ausgeführter Tunnel workpackage 3 Geotechnische Analyse bereits ausgeführter Tunnel 3.1. Rückrechnung Strengener Tunnel - Analytische Verfahren - (S,ff) Tunnel-KonsulentenDr. M. John (Tunnel-Konsulent) Modellierung der Interaktion zwischen: - Numerische Verfahren John, Mattle - Gebirge - (S) IFT, TUG - Ausbau - aktive Stützung 3.2. Miteinbeziehung in die Modellierung von: - Bereich vor dem Bohrkopf - Längstragwirkung (Abstützung auf den Ausbau) 3.3. Einfluss der Vortriebsgeschwindigkeit auf die Umlagerung der Kräfte Ziel Maßnahmen Arbeitsgruppen Teilprojektleiter (TPL) General-Feuersteinstr. 11 A-6020 Innsbruck Tel.: +43 (0) Fax: +43 (0) mobil: +43 (0) max.john@aon.at Workpackage 4: Geotechnische Modellierung workpackage 4 Geotechnische Modellierung Ziel Maßnahmen Arbeitsgruppen Teilprojektleiter (TPL) 4.1. Development of calculation models for - numerical modelling (3D) - (EU) La Sapienza Univ. Prof. A. Graziani (DISG) - 3 dimensional considerations Prof. Graziani Via Monte D'Oro 28 I Roma Prof. Ribacchi Tel.: +43 (0) Modelling of various types of rock support Fax: +43 (0) effect of pre- support action of the TBM- shields allesandro.graziani@uniroma1.it - effect of application of yielding materials Workpackage 5: Baubetriebliche Modellierung workpackage 5 Baubetriebliche Modellierung Ziel Maßnahmen Arbeitsgruppen Ansprechpartner 4.1. exaktere Prognose der Vortriebs- - detaillierte Analyse der Prozesse - (S,ff) IBBB, UIBK Dipl.-Ing. W.Leitner (UIBK) leistung in Abstimmung auf die - Entwicklung eines Produktions- - (A) JÄGER Bau GmbH Technikerstraße 13 Systematik der Vortriebsmaschine modells für Vortrieb und Sicherung - (EU) SELI SpA A-6020 Innsbruck 4.2. genauere Kostenermittlung sowie - Entwicklung eines Modells zur Tel.: +43 (0) transparente Kostenvergleiche Kostenermittlung auf Grundlage der o.g. Analyse Fax: +43 (0) w.leitner@uibk.ac.at Im Anschluss an die Einzelberichte wird in der Zusammenfassung auf das Gesamtprojekt näher eingegangen und der wissenschaftliche sowie wirtschaftliche Erfolg des Projektes in Hinblick auf die Wertschöpfung der einzelnen Projektpartner beurteilt. Im Anhang werden die zitierten Unterlagen bzw. Literatur angeführt.

8 E!3160 TISROCK Seite 6 3. Zielsetzung, Zielerreichung und Forschungsergebnisse 3.1. Work Package 1: Maschinentechnik Angestrebte Ziele Die Ziele der Arbeitsgruppe `Maschinentechnik waren wie folgt definiert: Entwicklung einer geschildeten Hartgesteins-Tunnelbohrmaschine im 10 m-bereich mit Tübbingausbau, die in der Lage sein soll längere Strecken stark druckhaften Gebirges ohne nennenswerte Stillstände durchörtern zu können Entwicklung entsprechender Überschneidmöglichkeiten (Vergrößerung des Ausbruchdurchmessers um ca. 2 % des Bohrdurchmessers [ca. 100 mm radial, Überschnitt in der Firste um ca. 200 mm]) Entwicklung entsprechender Vorauserkundungsmöglichkeiten und vorauseilender Gebirgsverbesserungen von der TBM aus Durchmesserveränderliche Schildkonstruktion Entwicklung eines neuen Maschinentyps (TBM) Erreichte Ziele und Forschungsergebnisse Folgende Ziele konnten erreicht werden: 1. Auswahl des Maschinentyps (Hartgesteins- Doppelschild- TBM) 2. Erstellung eines Pflichtenheftes 3. Abgestufte Schilddurchmesser 4. Kürzest mögliche Schildlänge 5. Überschneidmöglichkeit mit vertikaler Bohrkopfverschiebung 6. Weiterentwicklung der Injektionsbohrschirme aus der TBM heraus 7. Ankerbohrmöglichkeiten im vorderen Bereich des Schildmantels 8. Druckkissen zwischen Tübbingausbau und Schwanzschild 9. Zeichnungserstellung Ad.1) Auswahl des Maschinentyps (Hartgesteins-Doppelschild-TBM) Es wurde für die wirtschaftliche Herstellung langer Tunnelvortriebe das Konzept der Doppelschild- TBM (DS-TBM) ausgewählt, weil es ggü. dem Einfachschild-Konzept einen entscheidenden Vorteil hat: die DS-TBM erlaubt den Einbau der Tübbingauskleidung simultan zum eigentlichen Vortrieb. D.h. man kann hier von einem kontinuierliche Vortrieb sprechen im Ggs. zur Einfachschildmaschine, wo Ringbau und Vortrieb sequentiell erfolgt (entweder oder). Somit kann man bei einer DS-TBM von einer um ca. 70 % höheren Vortriebsleistung bei einer einschaligen Tübbingauskleidung ausgehen. Ad 2.) Erstellung eines Pflichtenheftes Als Ausgangspunkt der weiteren Überlegungen wurde zunächst ein umfangreiches Pflichtenheft erstellt.

9 E!3160 TISROCK Seite 7 Ad 3.) Abgestufte Schilddurchmesser Entscheidend für das Durchörten druckhaften Gebirges ist vor allem die Durchmesserentwicklung der Schilde. Um über die Zeit ein größeres Konvergenzvolumen zu schaffen, nehmen die Durchmesser der konzentrisch angeordneten Schilde, wie Front-, äußeres Teleskop-, inneres Teleskop-, Gripper- und Schwanzschild) nach hinten entgegen der Vortriebsrichtung ab (Abbildung 1). Bei der gewählten Konfiguration beträgt der Unterschied zwischen Front- und Schwanzschild 210 mm (!). Bezüglich der Tübbingauskleidung und des Ausbruchdurchmessers entsteht in der Firste nominell ein Freiraum von 320 mm (siehe auch Punkt 5). Abbildung 1: Durchmesserentwicklung; Ad 4.) Kürzest mögliche Schildlänge Neben dieser nach hinten sich verjüngenden Schildkonfiguration ist die Gesamtlänge der Schilde ebenso sehr wichtig. D.h. die Schildlänge sollte natürlich so kurz als möglich gestaltet werden. Ziel ist hier, dass die Schildlänge L Schild in etwa dem Bohrdurchmesser D entspricht (L Schild 1 x D). Ein vorläufiges Design unseres Forschungspartners, der Fa. Wirth (Erkelenz, Deutschland) sieht eine Schildlänge im eingefahrenen Zustand von mm bzw. im ausgefahrenen Zustand von mm vor (Abbildung 2). Die maximale Hublänge beträgt im vorläufigen Design mm. Die Schildlänge hängt natürlich stark von der Länge der Auskleidungsringe ab, die hier mit mm gewählt wurde.

10 E!3160 TISROCK Seite 8 Abbildung 2: Schild- Abmessungen; Ad 5.) Überschneidmöglichkeit mit vertikaler Bohrkopfverschiebung Um ein Einklemmen der TBM in druckhaftem Gebirge, d.h. in konvergenten Gebirgsformationen zu verhindern, muss ein genügender Freiraum (Ringspalt) zwischen den Schilden der TBM und dem gebohrten Fels geschaffen werden. Dies erreicht man zum einen mit einer sich nach hinten verjüngenden Schildkonfiguration (vgl. Punkt 3) und zum anderen mit einer ausreichenden Überschneidmöglichkeit, d.h. Vergrößerung des Bohrdurchmessers. Bezüglich der Tübbingauskleidung und des Ausbruchdurchmessers entsteht in der Firste nominell ein Freiraum von 320 mm (vgl. Punkt 3). Dieser Freiraum kann durch den maximalen Überschnitt von radial 125 mm (d.h. Überschnitt in der Firste von 250 mm) theoretisch auf 570 mm (!) vergrößert werden. Bildlich gesprochen könnte der Fels um über einen halben Meter (!) hereinwachsen (Abbildung 1). Dies in einer Zeitspanne von ca. 10 h, wenn man von einer Vortriebsleistung von 20 m/tag und einer Schildlänge von insgesamt ca. 10m ausgeht. Eine Vergrößerung des Bohrdurchmessers ist nur in Verbindung mit einer vertikalen Bohrkopfverschiebung realisierbar. Um den Bohrdurchmesser nicht unter die Null-Linie zu bringen (=Sohlniveau des Tunnels), was ein Unterschneiden und somit ein Abtauchen der TBM verursachen würde, muss man den gesamten Bohrkopf genau um den Betrag des Überschnitts, d.h. um den Betrag des radialen Ausfahrens der Kalibermeißel nach oben verschieben. D.h. der Versatz der Bohrkopfachse ggü. der Mittelachse der konzentrisch angeordneten Schilde wird um den entsprechenden Betrag größer. Somit entspricht die radiale

11 E!3160 TISROCK Seite 9 Bohrkopf-Vergrößerung (max. 125 mm) dem diametralen bzw. doppelten Überschnitt (max. 250 mm) in der Firste. Beispiel: ein radiales shiften der Kalibermeißel in Stufen bis zum letzten Kalibermeißel auf 50 mm, bedeutet ebenfalls eine vertikale Bohrkopfverschiebung um 50 mm nach oben und letztendlich einen Überschnitt von 100 mm in der Firste. Maximal ist ein shiften mit Einbau von zusätzlichen Kalibermeißeln (z.b. 2 Stück) von radial 125 mm möglich. Der Bohrdurchmesser wird somit von mm auf maximal mm vergrößert (Abbildung 1). Ad 6.) Weiterentwicklung der Injektionsbohrschirme aus der TBM heraus Um ein Durchörten von Zonen druckhaften Gebirges zu ermöglichen, kann die Schaffung eines Freiraumes mittels statischer Durchmesserentwicklung der Schilde (vgl. Punkt 3) bzw. mittels Vergrößerung des Bohrdurchmessers (vgl. Punkt 5) in Verbindung einer möglichst kurzen Schildlänge (vgl. Punkt 4) alleine nicht ausreichen. D.h. in solchen Fällen muss eine Konsolidierung des Gebirges vor bzw. über der TBM durchgeführt werden. Dies geschieht durch die Erstellung von sog. Injektionsbohrschirmen (IBS) aus der TBM heraus. Die TBM ist so ausgestattet, dass ein IBS über ca. 15 Bohrpositionen entlang einer Kreisabwicklung von ca. 180 oberhalb des aufzufahrenden Profils eingebracht werden kann (Abbildung 3). Um die Wirksamkeit eines IBS zu verbessern, sind zusätzliche Bohrpositionen anzustreben, wobei hier konstruktiv Grenzen gesetzt sind aufgrund des beschränkten Platzangebotes zwischen den Hilfsvorschubzylindern. Aus diesem Grund spricht man hier auch bewusst nicht von einem Rohrschirm, wie er von konventionellen Vortrieben bekannt ist. Dort kann der Abstand zwischen den Bohrpositionen wesentlich kleiner gewählt werden. Im Stahlmantel des Gripperschildes sind Führungsrohre (NW 100) als Rohr- und Bohrgestängeführung unter einem möglichst flachen Winkel (7-10 ) eingeschweißt. Die erforderliche Bohreinrichtung (14 -Lafette mit AC COP 1838 Bohrhammer oder Ähnlichem) ist auf einem separaten Geräteträger auf der Erektorbrücke längsverschiebbar als auch drehbar installiert, um die einzelnen Bohrpositionen anfahren zu können.

12 E!3160 TISROCK Seite 10 Abbildung 3: Injektionsbohrschirm (IBS), Nutzlänge ca. 8 m, DS-TBM, Tunel de Abdalajis (Spanien); Die Rohre des IBS werden über die Führungsrohre bzw. Bohrkanäle im Schildmantel in das anstehende Gebirge gebohrt. Die Herstelllängen sind prinzipiell stark vom Gebirge abhängig. Aufgrund der geometrischen Verhältnisse geht man von einer Bohrlänge von ca m aus. Die Entfernung zwischen Schneidrad-Vorderkante und Bohrkanalaustritt beträgt ca. 6 m. Die effektive Bohrlänge vor der TVM beträgt somit ca m. Bei einer Überlappungslänge von ca. 3 m ergibt dies eine Nutzlänge von etwa 8 m. D.h. unter jedem fertig gestellten Rohrschirm kann die TBM ca. 8 m auffahren, bevor der nächste Rohrschirm gebohrt wird (Abbildung 3). Der Bereich über dem vorderen Schildmantel bzw. Bohrkopf (ca. 6 m) wird mit Expansionsschaum injiziert. Die vorderen 2/3 (ca. 12 m) eines jeden IBS-Rohres werden mit Zementsuspension injiziert. Da der Austrittsbereich aus dem Schildmantel von außen nicht zugänglich ist, wird der Übergangsbereich zwischen Schildmantel und Gebirge mit einem PE- HD-Rohr ausgebildet. Nach Abschluss der Injektionsarbeiten schert die TVM beim Wiederanfahren diese PE-HD-Rohre ab. Das Abscheren der Kunststoffrohre wurde im Rahmen dieses Forschungsprojektes beim Tunel de Abdalajis (10m DS-TBM, Spanien) erfolgreich erprobt. Ein kompletter Rohrschuss besteht aus Anfängerrohr (Stahl, perforiert), 5 Verlängerungsrohren (Stahl, perforiert) und dem Übergangs- PE-HD-Rohr. Die Länge eines Einzelrohrschusses beträgt 3 m. Der Durchmesser der Bohrkrone beträgt 90 mm, der Rohrdurchmesser beträgt 76 mm.

13 E!3160 TISROCK Seite 11 Injektionskonzept Vor Beginn der Verpressung muss der Bereich außerhalb des Schildmantels abgedichtet werden. Diese Abdichtung verhindert den Rückfluss der späteren Betonsuspension in den Bereich des Schildmantels und des Bohrkopfes vor unbeabsichtigtem Einbetonieren. In der Regel erfolgt diese Abdichtung über einen zusätzlichen Injektionsschlauch der knapp (ca. 1 m) über die Bohrkopfebene geführt wird. Über diesen Injektionsschlauch wird Silikatschaum (2-Komponenten Silikatharz mit hoher Klebe- und Druckfestigkeit) eingebracht (Injektionsplombe). Dabei wird der Ringraum im Schildbereich (ca. 5 m) über eine Abwicklung des halben Umfangs abgedichtet und evtl. offene Klüfte und Poren verfüllt. Mit dem zweiten Injektionsschlauch der bis zum Bohrlochtiefsten geführt wird, wird das umliegende Gebirge mit einer Zementsuspension (Schnellzement) injiziert. Der somit hergestellte Verbundtragkörper stellt eine vorauseilende Gebirgssicherung dar, die einen Vortriebsabschnitt von ca. 8 m zulässt bevor gegebenenfalls der nächste IBS ausgeführt werden muss. Ad 7.) Ankerbohrmöglichkeiten im vorderen Bereich des Schildmantels Als weitere zusätzliche Konsolidierungsmaßnahme des umliegenden Gebirges im vorderen Bereich, also dort wo eine vorauseilende Ortsbrust entstehen kann, sollte ein radialer Ausbau mit Felsankern aus der TBM heraus möglich sein. Hierzu werden im vorderen Schildbereich 2 Ankerbohrgeräte angeordnet, die in radialer Richtung ca. 50 geneigt zur Vortriebsrichtung bohren können (Abbildung 4). Der Abstand zwischen den ca. 3 m hinter der Ortsbrust liegenden Bohransatzpunkten sollte max. ca. 1 m betragen. Abbildung 4: Ankerbohrgeräte im Schild (Bsp. Einfachschild- TBM, Wienerwaldtunnel);

14 E!3160 TISROCK Seite 12 Ad 8.) Druckkissen zur temporären Abstützung des Schildschwanzes auf der Tübbingauskleidung Bei extrem druckhaften Gebirge kann eine Sondermaßnahme zur temporären Abstützung des Schwanzschildes auf einem Druckring oder der Tübbingauskleidung zum Einsatz kommen. Die möglichen Auflasten von Schwanzschilden liegen zwischen kn/m². Der Tübbingausbau bietet einen wesentlich höheren Ausbauwiderstand ( kn/m²), so dass er zu einer temporären Abstützung herangezogen werden kann. Technisch kann eine Abstützung mittels Druckkissen realisiert werden, die im oberen Bereich des Druckringes oder zwischen Tübbing und Schildschwanz eingelegt und hydraulisch aufgepumpt werden können (Abbildung 5). Regelvortrieb: Vortriebspresse Druckring Tübbing Sondermaßnahme: Vortriebspresse Druckring Druck-Kissen Tübbing Abbildung 5: Druck-Kissen (hier exemplarisch zw. Druckring und Schildschwanz); Ad 9.) Zeichnungserstellung Der TBM- Hersteller Wirth Maschinen- und Bohrgeräte-Fabrik GmbH, Erkelenz (Deutschland) ist Partner innerhalb des Work packages 1. Wirth brachte entsprechendes Maschinen Know How ein und setzte die Forschungsergebnisse in Form von Entwurfsplänen zeichnerisch um Nicht erreichte Ziele Nicht erreichte Ziele soll nicht heißen, dass man an der Umsetzung der Idee gescheitert wäre, sondern, dass man derartig gesetzte Ziele nach entsprechender Kosten-Nutzenanalyse ausgeschieden hat bzw. dass bestimmte Lösungsansätze konstruktiv nicht realisierbar waren. Dazu zählen: 1. Schildlänge (ca m) = Ausbruchdurchmesser (ca. 10,2 m) 2. Realisierung eines durchmesserveränderlichen Schildmantels. 3. Entwicklung eines neuen Maschinentyps (z.b. Walking Gripper Shoes or Continuous-Gripping TBM)

15 E!3160 TISROCK Seite 13 Ad 1.) Schildlänge Das Ziel einer quadratischen Auslegung der Doppelschild- TBM, d.h. Schildlänge gleich Ausbruchdurchmesser konnte bei der gewählten Tübbinglänge von mm nicht ganz erreicht werden. Das vorläufige Design sieht eine Schildlänge (bei geschlossener Maschine, d.h. Teleskopschild gänzlich eingezogen bzw. Startsituation vor Beginn eines neuen Maschinen-Hubes) von ca. 12,5 m bei einem Ausbruchdurchmesser von 10,2 m vor. Ad 2.) Durchmesserveränderlicher Schildmantel Ideal wäre eine Anpassung der Schilddurchmesser an den aktuell gewählten Überschnitt, um keine Unstetigkeit (Sprung) zwischen Ausbruch- und Schilddurchmesser zu haben. Bei der momentanen Auslegung der Schilde entsteht bei Ausnützung des vollen Überschnittes (250 mm in der Firste) eine Sprung von 325 mm vom gebohrten Fels zum Frontschild. Dieser plötzliche Freiraum kann eine zusätzliche, unerwünschte Auflockerung des Gebirges begünstigen. Druckhaftes Gebirge wächst nicht sprunghaft herein, so dass eine Stützwirkung durch ein ebenfalls im Durchmesser vergrößerbares Frontschild wünschenswert wäre. Ideal wäre, wenn die Schilddurchmesser der Konvergenzlinie (Abbildung 1) angepasst werden könnten. Konstruktiv würde eine solche Lösung einen immensen Aufwand bedeuten, der nicht in einer wirtschaftlichen Relation zum eventuellen Nutzen stehen würde. Diese Idee wurde deshalb nicht weiterverfolgt. Ad 3.) Neuer Maschinentyp Die Erfahrungen mit Hartgesteins-Doppelschildmaschinen der letzten 30 Jahre zeigen, dass dieses System eine solide Basis für eine Weiterentwicklung dieses Konzeptes darstellt. Innerhalb der Arbeitsgruppe wurde deshalb beschlossen, dieses Konzept beizubehalten und entsprechend für die Anwendung für lange Tunnel mit Zonen druckhaften Gebirges zu optimieren. In den 90er Jahren meldete z.b. die Fa. Robbins (USA) ein Patent über eine TBM mit kontinuierlichem Vorschubsystem an ( Tunnel Boring machine with continuous forward propulsion US Patent ). Dieser Maschinentyp mit sog. walking gripper shoes konnte sich nicht durchsetzen. Herkömmliche Tunnelbohrmaschinen mit Gripper- Verspannung arbeiten zyklisch. D.h. nach Beendigung eines Hubes kommt es zu einem kurzen Stillstand von wenigen Minuten, um das Verspannsystem nachzusetzen bevor ein neuer Hub begonnen werden kann. Ein walking Gripper Shoe-System ist vom Ansatz her sicher positiv zu bewerten. In der rauen Praxis des Hartgestein-Bohrens stellt jedoch jede Verkomplizierung eine Schadensquelle und somit Stillstände dar. Speziell bei langen Tunneln muss eine TBM absolut zuverlässig sein (je einfacher desto weniger Fehlerquellen). Getreu dieser Maxime, blieb man bei dem bisherigen, erprobten Grundkonzept, d.h. zyklischer Vortrieb im Bezug auf sequentielle Hübe, wobei im Gegensatz zu Einfachschild- Maschinen der parallel zum Vortrieb mögliche Ringbau als entscheidender Vorteil speziell im Hinblick auf die Durchörterung von druckhaftem Gebirge gesehen wird.

16 E!3160 TISROCK Seite Work Package 2: Ausbau Angestrebte Ziele Die Ziele der Arbeitsgruppe Auskleidungstechnik waren wie folgt definiert: Entwicklung eines konvergenz- kompatiblen Fertigteilausbaues für druckhaftes Gebirge Umsetzung der Idee gerippter Fertigteil- Auskleidungssegmente Versuchstechnische Ermittlung des Last- Weg-Verhaltens gerippter Segmente Ermittlung der geforderten Materialeigenschaften Ermittlung der Möglichkeiten und Grundlagen einer industriellen Produktion Abwicklung der Forschungsziele im Rahmen des veranschlagten Budgets Erreichte Ziele und Forschungsergebnisse Folgende Ziele konnten erreicht werden: Entwicklung eines konvergenz- kompatiblen Fertigteilausbaues für druckhaftes Gebirge und Umsetzung der Idee gerippter Fertigteil- Auskleidungssegmente: Die grundlegenden Anforderungen für einen konvergenzkompatiblen Fertigteilausbau waren innerhalb des WP2 wie folgt definiert: o Gewährleistung einer möglichen kontrollierten Radialdeformation des Gebirges von bis zu 15cm im Bereich der Auskleidung o Gewährleistung des erforderlichen Ausbauwiderstandes des konvergenzkompatiblen Fertigteilausbaus o Geschlossene Längs- und Ringfuge des Systems (fester Innendurchmesser) o Modulare Kombinierbarkeit von konvergenzkompatiblen Segmenten mit dünnwandigen (leichten) und vollwandigen (schweren) Auskleidungssegmenten Diese Ziele konnten gesamthaft mit dem Entwurf von Rippentübbingen mit außenliegenden (gebirgszugewandten) Rippen und dazwischenliegenden Entspannungsräumen realisiert werden (Abbildung 6). Die modulare Kombinierbarkeit mit dünnwandigen (leichten) und vollwandigen (schweren) Auskleidungssegmenten wurde mittels einheitlicher Fugenausbildungen entsprechend konstruktiv löst.

17 E!3160 TISROCK Seite 15 Abbildung 6: Konvergenzverträgliches Auskleidungssystem mit Rippentübbingen ; Abbildung 7: Modulare Kompatibilität unterschiedlicher Segmente innerhalb des Systems;

18 E!3160 TISROCK Seite 16 Versuchstechnische Ermittlung des Last- Weg-Verhaltens gerippter Segmente und Ermittlung der geforderten Materialeigenschaften Um das zu erwartende Last- Weg-Verhaltens gerippter Segmente zu ermitteln wurden folgende Schritte gesetzt: o Entwurf und Bau entsprechender gerippter Versuchskörper (Abbildung 8) o Entwurf und Bau einer entsprechenden Versuchseinrichtung o Aufstellen eines entsprechenden Versuchsprogramms im Hinblick auf die relevanten Gebirgseigenschaften, die Fertigteiltechnologie und die Rippengeometrie o Durchführung und Auswertung des Versuchsprogramms (Fotos 1 und 2) Die Versuchsergebnisse haben das erwartete Last- Weg-Verhalten der Rippen in Interaktion mit dem Gebirge im Wesentlichen bestätigt und im Detail Aufschluss über dieses Verhalten gegeben, sodass die ermittelten Last- Verformungskurven der geomechanischen Berechnung entsprechend zu Grunde gelegt werden können (Abbildung 9). Abbildung 8: Versuchskörper bestehend aus Rippensegment und Modellgebirge ;

19 E!3160 TISROCK Seite 17 Abbildung 9: Versuchsergebnisse der Versuchsreihen 1 bis 3 bei unterschiedlichem Modellgebirge ; Was die Ermittlung der Materialeigenschaften der gerippten Segmente betrifft, so hat sich gezeigt, dass mit den im Fertigteilausbau üblichen Materialeigenschaften die Ziele des geforderten Last- Weg-Verhaltens erreicht werden können. Ermittlung der Möglichkeiten und Grundlagen einer industriellen Produktion Zur Ermittlung der Möglichkeiten und Grundlagen einer industriellen Produktion wurden folgende Schritte gesetzt o Entwurf, Bau und Optimierung von Schalungen zur industriellen Herstellung von gerippten Fertigteilen o Entwurf und Austesten verschiedener Betonrezepturen o Entwurf und Austesten verschiedener Bewehrungskonzepte o Austesten an 1:1 Prototypen o Umsetzung in Serienproduktionen unter Optimierung der spezifischen Anforderungen an gerippte Fertigteile Obige Schritte wurden unter Vornahme der jeweilig erforderlichen Anpassungen vorgenommen. Dabei konnten insbesondere was die serienmäßige Herstellung gekrümmter und gerippter Fertigteile betrifft, die spezifisch erforderlichen Kenntnisse gewonnen werden. Letztendlich konnte nach jeweilig vorgängigem Austesten an Prototypen die Eignung gekrümmter und gerippter Fertigteile für eine industrielle Fertigung erzielt werden (Fotos Nr.: 3 10) Abwicklung der Forschungsziele im Rahmen des veranschlagten Budgets Das WP2 konnte innerhalb des veranschlagten Zeitrahmens und des veranschlagten Budgets mit Erfolg abgeschlossen werden

20 E!3160 TISROCK Seite Fotobeilage Foto 1: Versuchsanordnung für gerippte Probekörper: Foto 2: Eindrücken der Probekörper in das Modellgebirge;

21 E!3160 TISROCK Seite 19 Foto 3: Konventionelle Bewehrung der gerippten Segmente; Foto 4: Schalung für Segmente mit Querrippen; DOKU_Endbericht_Eureka Innsbruck, Dezember 2006

22 E!3160 TISROCK Seite 20 Foto 5: Befüllen von Schalungen mit Querrippen; Foto 6: Produktion von Segmenten mit Querrippen; DOKU_Endbericht_Eureka Innsbruck, Dezember 2006

23 E!3160 TISROCK Seite 21 Foto 7: Offene Schalung für Segmente mit Längsrippen; Foto 8: Geschlossene Schalung für Segmente mit Längsrippen; DOKU_Endbericht_Eureka Innsbruck, Dezember 2006

24 E!3160 TISROCK Seite 22 Foto 9: Konventionelle Bewehrung für Segmente mit Längsrippen; Foto 10: Produktion von Segmenten mit Längsrippen;

25 E!3160 TISROCK Seite Work Package 3: Geotechnische Analyse Angestrebte Ziele Die Ziele dieses Arbeitspaketes waren wie folgt definiert: 1. Modellierung der Interaktion zwischen Gebirge Ausbau Aktiver Stützung mittels Rückrechnungen am Strenger Tunnel 2. Einbeziehen in die geotechnische Modellierung von: Bereich der Schildmaschine Längstragwirkung 3. Einfluss der Vortriebsgeschwindigkeit auf die Spannungsumlagerung Erreichte Ziele und Forschungsergebnisse Ad 1.) Ergebnis der Rückrechnungen Die sehr umfangreichen Ergebnisse der baugeologischen Dokumentation und aller vorhandenen geotechnischen Messergebnisse wurden ausgewertet und zwei Bereiche, die stark druckhaftes Gebirgsverhalten mit asymmetrischen Hohlraumverformungen repräsentieren, ausgewählt. Die geologischen Verhältnisse sind geprägt von Quarzphylloniten, Quarzitschiefern und phyllitischen Gneisen mit nahezu achsparalleler, steil stehender Schieferung durchsetzt von Störungen, die ebenso nahezu achsparallel verlaufen und teilweise in der Schieferungsebene liegen, teilweise in einem flacheren Winkel die Schieferungsflächen schneiden. Im ersten Schritt wurde ein Rechenmodell entwickelt, welches die geologischen Verhältnisse weitgehend simuliert, siehe Abbildung 10. STÖRUNG DISKRETE TRENNFLÄCHEN Abbildung 10: Geologische Brustaufnahme / zugehörendes Rechenmodell;

26 E!3160 TISROCK Seite 24 Als Eingangsparameter wurden gewählt: Geometrie Tunnel: Überlagerung: Breite 11 m, Höhe 10 m 600 m Für das Grundgebirge und die Störungen wurden folgende Parameter angesetzt: Kontinuum Quarzphyllit Störung E-Modul: 1200 MPa 100 MPa Querdehnzahl: Reibungswinkel Kohäsion 0.6 MPa 0.3 MPa Dilatanz 15 8 Die Trennflächen wurden mittels so genannter Joint-Elemente als diskrete Linien modelliert. Entlang dieser Linien werden doppelte Knoten generiert, welche durch Normal- und Schubsteifigkeit miteinander verbunden sind: Steifigkeit normal: Steifigkeit tangential: / MN/m³ / MN/m³ Die Stützmaßnahmen beim Vortrieb wurden entsprechend dem tatsächlich eingebauten Umfang berücksichtigt (s. Abbildung 11). Anker: Spritzbeton: Stauchelemente: Länge 8 m, Traglast 350 kn, bei Versagen 250 kn 25 cm mit reduziertem Anfangs E-Modul = MN/m² 4 Stück in der Kalotte mit Lastaufnahme = 1.05 MN Abbildung 11: Modellierung Stützmaßnahmen / Stauchelemente; Um das Ergebnis der Modellierung mit dem tatsächlichen Gebirgsverhalten zu vergleichen, wurden die Hohlraumverformungen und die Beanspruchung der Spritzbetonschale ausgewertet, siehe Abbildung 12.

27 E!3160 TISROCK Seite cm N = 4.9 MN/m 43 cm 23 cm 81 cm Abbildung 12: Ergebnis der Berechnung- Hohlraumverformung (links) und Spritzbetonbeanspruchung (rechts); Das Ergebnis der Hohlraumverformungen zeigt gute Übereinstimmung von Modell und Messergebnissen: Hohlraumverformung Modell Messung Firstsetzung 61 cm 60 cm Kalottenfußverschiebung links 53 cm 50 cm Kalottenfußverschiebung rechts 23 cm 30 cm Zur Überprüfung der Beanspruchung von Anker und Spritzbeton wurde ein Messquerschnitt ausgewertet, bei welchem allerdings geringere Verformungen auftraten. Die Tendenz der Beanspruchung entspricht dem Rechenergebnissen, der Beanspruchungsgrad des Spritzbetons ist naturgemäß geringer, siehe Abbildung 13. Abbildung 13: Ergebnisse von Messanker und Spritzbetonbeanspruchung;

28 E!3160 TISROCK Seite 26 Damit konnte nachgewiesen werden, dass mit der gewählten Modellierung die Interaktion von Gebirge und Ausbau unter Berücksichtigung der nachgiebigen Stützung innerhalb der natürlichen Schwankungen wirklichkeitsgetreu erfasst werden konnte. Ad 2.) Geotechnische Modellierung des Bereiches einer Schildmaschine Um die Längsentwicklung der Verformungen im Bereich der Schildmaschine zu simulieren wurde ein rotationssymmetrisches Modell gewählt. Um die druckhaften Verhältnisse wie sie beim Strenger Tunnel angetroffen wurden zu erfassen wurden die Verformungen im Querschnitt im Bereich der Störungszone für einen Kreisquerschnitt mit 10 m Durchmesser ermittelt. Das nachgebildete Modell ergibt ungleichförmige Verformungen, welche für das rotationssymmetrische Modell homogenisiert wurden. Damit wurden die Gebirgsparameter als Eingangsdaten für die rotationssymmetrischen Berechnungen ermittelt. Die Verformungsentwicklung ergibt folgendes Ergebnis, siehe Abbildung 14: Bei rd. 71 cm Gesamtverformung betragen die Vorverformungen 17 cm, das sind 24 %. Bei Einbau der Tübbinge 10 m hinter der Ortsbrust treten im Schildbereich 54 cm Verformung auf, die nach heutigem Stand der Technik von Schildmaschinen nicht aufgenommen werden können. Bei Einbau der Tübbinge 6 m hinter der Ortsbrust verringern sich die Verformungen im Schildbereich auf 34 cm, das ist eine Größenordnung, die durch Überschnitt und Staffelung der Schilde bewältigt werden könnte. Abbildung 14: Längsentwicklung der Verformungen im Bereich des Schildes im druckhaften Gebirge;

29 E!3160 TISROCK Seite 27 In den Besprechungen innerhalb des TISROCK- Forschungsteams wurde daher auf die Bedeutung der hohen Verformungen unmittelbar hinter der Ortsbrust hingewiesen. Dies resultierte in der Entwicklung der Abstufung des Schildes in Frontschild Äußeres Teleskopschild Gripperschild In weiterer Folge wurde untersucht, ob durch den Einbau von gegen die Ortsbrust geneigten Ankern die Verformungen im Schildbereich reduziert werden können. Die Berechnungen haben gezeigt, dass bei der Annahme eines durch Anker verbesserten Gebirgskörpers von 4,0 m ab Ausbruchrand die Verformungen um rd % reduziert werden können, siehe Abbildung 15. Abbildung 15: Einfluss einer vorauseilenden Ankerung auf die Längsentwicklung der Verformungen im Schildbereich; Eine Einrichtung zum Versetzen geneigter Anker wurde bei den Vortriebsmaschinen für den Wienerwaldtunnel bereits verwirklicht, bisher kam diese Einrichtung noch nicht zum Einsatz. Mit den vorliegenden Untersuchungsergebnissen wurde nicht nur der Verlauf der Verformungen im Schildbereich aufgezeigt, sondern auch Vorkehrungen vorgeschlagen, mit welchen die hohen Verformungen eingeschränkt und bei der Konstruktion der Schildmaschine berücksichtigt werden können. Ad 3.) Einfluss der Vortriebsgeschwindigkeit auf die Spannungsumlagerung Die sehr komplexen Mechanismen im Zuge der Spannungsumlagerung bei druckhaftem Gebirge erlaubten bisher nicht verlässliche Modellgesetze zu entwickeln, die das Erfassen der Zeitabhängigkeit des Gebirgsverhaltens ermöglichen. So wurde z.b. beim Strenger Tunnel festgestellt, dass Hebungen der Kalottensohle gegenüber dem Hohlraumrandverformungen verzögert auftreten, obwohl auf die Sohle kein Ausbauwiderstand aufgebracht wird. Aus diesem Grund konnte das Ziel, den Einfluss der Vortriebsgeschwindigkeit zu erfassen, nicht erreicht werden.

30 E!3160 TISROCK Seite Work Package 4: Numerische Modellierung Objctive of the study The research work has been focused on the implementation of a modelling method to analyze the complex interaction between ground deformation and TBM advance in heavy squeezing rock masses. The objective of the research is twofold: evaluate the feasibility of TBM excavation along the full length of the tunnel and possibly obtain useful guidelines for the design of the boring machine as well as of the support systems The proposed modelling approach is based on the application of 3D-Finite Difference models of increasing complexity, which can afford a realistic prediction of the rock mass deformation near the advancing face as well as of the stress state within the support systems. The geomechanical conditions considered in the analyses correspond to the expected worst conditions to be faced along some stretches of the Brenner Base tunnel. Specifically the crossing of the Navistal shear zone (Figure 16) has been chosen as a benchmark case to show the capability of the proposed modelling method. Figure 16: Geological profile of the tunnel from Innsbruck to the shear zone of Navistal On the base of the geotechnical parameters given by the baseline project (Table 1), for the Navistal shear zone a squeezing potential as high as 32% can be predicted, under a maximum overburden of 1100 m. In the study it has been assumed that the boring is carried out by a double shield TBM of upto-date design, characterized by a total length of 11 m, excavating diameter 10 m, with a standard overcutting of 60 mm which can be augmented up to a maximum of 260 mm by means of a 100 mm lifting of the cutterhead axis.

31 E!3160 TISROCK Seite 29 Length of the stretch within the calcareous schists of Navistal GSI Maximum overburden (m) Tunnel excavation radius (m) Rock unit weigth (MN/m 3 ) Elastic modulus E (GPa) Cohesion (MPa) Friction angle ( ) Dilation angle ( ) Squeezing potential 3.3 km (6% of total length) % Table 1: Geomechanical parameters of the Navistal shear zone according to the baseline project (BBT, ) The tunnel surface is supported by means of a segmental lining: the typical ring is formed by 5 6 precast concrete segments installed within the rear shield of the TBM at a distance from the face of about 10 m. The properties of the lining and of the backfill/grouting material are shown in Table 2. The compressibility of the material used to fill the gap between the lining extrados and the excavation profile plays a major role in the interaction mechanism which determines the loading conditions of the lining, therefore a large variety of materials has been considered, ranging from ranging from ordinary pea gravel to a recently proposed cement grout of high compressibility ( Compex ). Segmental lining Characteristic strength f c (MPa) 45 Equivalent elastic modulus E c (GPa) 20 Poisson coefficient ν c 0.2 Thickness t (m) 0.4 Lininig radius (extrados) 4.7 Excavation radius a (m) 5.0 Filling material Oedometer modulus Eed (MPa) Backfill s = m s = m Segmental ring s = m Excavation profile Table 2: Properties of the segmental lining and the backfilling material. The behaviour of the filling material under rock load can be conveniently investigated by means of oedometer compression tests; Figure 17 shows some typical results obtained for the high compressible Compex grout (Schneider et al., 2005) and for an ordinary pea gravel before cement injection, a much stiffer response would be obtained after sealing the pea gravel aggregate with cement injections.

32 E!3160 TISROCK Seite 30 In the following analyses the two limit cases of Eed= 8 MPa and Eed= 800 MPa will be considered. Axial stress (N/mm 2 ) Compex grout (Schneider et al. 2005) Pea gravel Oedometer test on cylindrical sample (H=0.2m) Axial load (kg/cm2) Loading rate fast loading slow loading E ed = 8 MPa E ed = 97 MPa axial deformation (%) Axial displacement (cm) Figure 17: Typical stress strain behaviour obtained from oedometer test on different filling materials Modelling approach In a first simplified model only the excavation advance and the progressive installation of a segmental lining are represented, by applying a step-by-step method. In each step a length of tunnel is excavated in front of the face and a new ring of the pre-cast lining is subsequently installed, at a distance from the face given by the position of the segment erector within the rear shield of the TBM. General information about the extension of the grid and the typical size of the elements used in the discretization are illustrated in Figure 18; the length of the excavation step as well as the width of the segment subsequently installed is equql to 1m. All the analyses have been performed by a 3D Finite Difference code (FLAC 3D, Itasca, 2005).

33 E!3160 TISROCK Seite 31 y excavation step 1 m 11 m 200 m segmental lining tunnel 200 m 100 m Figure 18: Layout of the model and detail of grid near the tunnel face. The tunnel boring machine itself is not included in such simplified simulation of tunnel construction, therefore the possible rock load over the TBM shields as well as the frictional resistance during the stroke for shield advance cannot be evaluated. However a preliminary check of the possible gap closure around the shield extrados can be carried out simply by comparing the longitudinal convergence profile of the tunnel walls and the theoretical gap dimensions, taking into account the conical shape of the shields and the layout adopted for the cutterhead (with standard or maximum overcutting). An example of such procedure is shown in Figure 19, which clearly indicates a local inter-penetration between the deformed tunnel wall and the TBM shield, even if the maximum overcutting is adopted. diameter (m) TBM profile (maximum overcutting) TBM profile (standard overcutting) deformed tunnel wall face distance (m) Figure 19: First estimate of possible contact area between rock and TBM shields. A more satisfactory investigation of the contact force distribution over the TBM shields and, moreover, of the inter-play between the loading conditions of the shields and of the lining, requires the TBM itself being included in the 3D model.

34 E!3160 TISROCK Seite 32 The TBM has been therefore modelled as a steel cylinder of variable thickness by using 8 node solid elements with linear interpolation of displacements, whereas 4 node shell elements represent the precast lining (Figure 20). Interface elements at shield extrados cutterhead Front shield Rear shield Figure 20: Schematization of the TBM for the all inclusive 3D model. A large-displacement logic as well as special interface elements have been applied in order to simulate the progressive closure of the gap between the shield extrados and the excavation wall; similar interface elements are interposed between the segmental lining and the rock surface in order to represent the effect of a compressible backfill material. Elastic perfectly plastic behaviour has been assumed for the rock mass, whereas linear elastic behaviour characterizes the thick cylinder representing the TBM (i.e. an equivalent elastic material whose Young modulus is 1/10 of the steel modulus) and the lining. A parametric study has been carried out to highlight important features of the problem. The stiffness of the backfill has been varied in a wide range to represent different material and the effect of a variable overcutting has been addressed. Moreover two limit cases for the structural behaviour of the pre-cast lining have been investigated: respectively, that is, a lining formed by perfectly linked rings or by completely independent rings Results of the analyses A first set of analysis, based on the simplified modelling approach (i.e. without TBM) has been performed to asses the influence of the stiffness of the filling material and of the linkage scheme between the segments in the longitudinal direction. The analyses have shown that the internal forces within the lining are strongly affected by the stiffness of the backfill: i.e. a more compressible backfill decreases the hoop force but increases lightly the bending moment (Figure 21).

35 E!3160 TISROCK Seite 33 (MNm/m) Transversal Bending Moment m Eed=8MPa 0 Eed=800MPa -0.1 Eed=8MPa -0.2 Transversal Axial Force (MN/m) face distance (m) 11 m Eed=8MPa Eed=800MPa face distance (m) Figure 21: Internal forces in the lining for ordinary and high compressible filling material. On the other hand, a rigid connection of rings through the longitudinal joints affects mainly the distribution of longitudinal force and secondarily the longitudinal bending moment, while the transversal forces within the ring remain almost the same. These results demonstrate that in heavy squeezing conditions like those expected in the Navistal shear zone, only a high compressible backfill can reduce the internal stresses in the lining to acceptable values. Therefore in the second group of analyses, where the TBM itself has been included in the model, it has been always assumed that a high compressible filling material is present, moreover the scheme with rigidly-linked rings has been discarded. Comparison of the two basic approaches, says with or without the explicit modelling of the TBM, shows that the internal forces of the lining are significantly increased by the presupport effect of the TBM shields (Figure 22).

36 E!3160 TISROCK Seite with TBM displacement (m) crown u springline without TBM invert face distance (m) Transversal Axial Force (MN/m) m without TBM with TBM face distance (m) Figure 22: Tunnel wall displacement and hoop force within the lining for the two modelling approach with and without TBM. Note that the results shown in Figure 22 have been obtained in the case in which the standard overcutting of 60 mm is applied. Because of the very high loading over the lining as well as on the TBM shields, the full exploitation of the overcutting capacity of the TBM appears to be mandatory. Figure 23 shows the distribution of normal stress over the TBM shields (i.e. interface normal stress) for the case of standard overcutting and maximum overcutting (260 mm). As a consequence of the high values of normal stress over large areas of the shields, also the thrusts required to advance the front and rear shields, against the lateral friction of the rock, attain very high values so that boring through a wide shear zone under an overburden as high as 1000 m can represent a challenging condition even for a TBM of up-to-date design. Interface normal stress σ n (MPa) Standard overcutting Maximum overcutting a normale gitudinale front shield rear shield Figure 23: Distribution of rock load over the TBM shields.

37 E!3160 TISROCK Seite Work Package 5: Baubetriebliche Modellierung Angestrebte Ziele Die Ziele des Arbeitspaketes waren wie folgt definiert: Exaktere Prognose der Vortriebsleistung in Abstimmung auf die Systematik der Vortriebsmaschine Genauere Kostenermittlung sowie transparente Kostenvergleiche Erreichte Ziele und Forschungsergebnisse Ad 1.) Exaktere Prognose der Vortriebsleistung in Abstimmung auf die Systematik der Vortriebsmaschine Durch die detaillierte baubetriebliche Analyse der Prozesse des Vortriebs und Sicherung konnte im Zuge der Bearbeitung einer Dissertation 1 am Institut für Baubetrieb, Bauwirtschaft und Baumanagement ein Produktionsmodell entwickelt werden. Mit diesem ist es möglich, ausgehend von den Grunddaten Penetration und Verschleiß die Vortriebsgeschwindigkeit für Hartgesteins- Tunnelbohrmaschinen exakt und transparent zu berechnen. Das Ablaufschema der Modellierung ist in nachfolgender Abbildung dargestellt. Abbildung 24: Vorgangsweise der baubetrieblichen Modellierung; 1 Leitner, W.: Baubetriebliche Modellierung der Prozesse maschineller Tunnelvortriebe im Festgestein Von der Penetration zur Vortriebsgeschwindigkeit. ISBN