Erkenntnisse aus einem Langzeitmonitoring an der Geländeoberfläche beim Bau des Gotthard- Basistunnels

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1 A. Wieser (Hrsg.) Ingenieurvermessung 2014 Herbert Wichmann Verlag 1 Erkenntnisse aus einem Langzeitmonitoring an der Geländeoberfläche beim Bau des Gotthard- Basistunnels Mario STUDER, Adrian RYF, Prof. Dr. Simon LOEW, Dr. Volker LUETZENKIRCHEN und Thomas JESEL 1 Projektstand Gotthard-Basistunnel Der offizielle Baubeginn des Gotthard-Basistunnels (GBT) erfolgte im Jahr 1993 mit ersten Arbeiten beim Sondierstollen Piora. Im Jahr 2002 startete der TBM-Vortrieb und der letzte Durchschlag erfolgte im März Seither wird intensiv am Einbau der Bahntechnik gearbeitet und in einem Abschnitt läuft seit kurzem ein Testbetrieb. Die Inbetriebnahme des Tunnelbauwerks ist für den Dezember 2016 geplant. Aktuelle Informationen zu diesem Jahrhundert-Projekt sind auf der Webseite abrufbar. Dieser Beitrag ist eine Fortsetzung der bisherigen Berichterstattungen im Rahmen des Internationalen Ingenieurvermessungskurses über die umfangreichen Überwachungsmessungen beim Bau des mit 57 km längsten Eisenbahntunnels der Welt (Ryf et al. 2000, Studer et al & 2007, Stengele et al. 2010). Diese und weitere Publikationen können auf heruntergeladen werden. 2 Monitoringaufgaben im Überblick 2.1 Ausgangslage Gebirgsentwässerungen durch Tunnelbauten können zu Setzungen an der Oberfläche führen. In der Schweiz wurden solche Setzungen in dm Grösse beim Sondierstollen des Rawiltunnels und beim Gotthard Strassentunnel nachgewiesen. Das Trassee des GBT verläuft im Bündner Oberland in der Nähe der der drei Stauseen Curnera, Nalps und Sta. Maria. Theoretische Untersuchungen im Vorfeld hatten gezeigt, dass mit dem Bau des GBT ohne Massnahmen zur Verringerung der Bergwasserzuflüsse zum Tunnel in dieser Zone Oberflächensetzungen von bis zu 5 cm auftreten könnten. In einer weiteren Untersuchung wurde die Empfindlichkeit der Staumauern auf Oberflächendeformationen überprüft und die Grenzwerte für verschiedene Gefahrensituationen wurden bestimmt. Unregelmässige Oberflächensetzungen im Bereiche dieser drei Staumauern könnten deren Gebrauchstauglichkeit gefährden. In der Risikoanalyse wurde die Eintretenswahrscheinlichkeit eines gefährdenden Ereignisses zwar als sehr klein, der Schaden aber als sehr hoch eingestuft. Deshalb wurden verschiedene Massnahmen zur Risikominimierung eingeleitet. Neben Massnahmen beim Vortrieb, die der Beherrschung des Wassereintritts beim Tunnelvortrieb dienen, wurde die ganzjährige Überwachung der Geländeoberfläche im Bereiche dieser Stauanlagen vor, während und nach der Unterquerung beschlossen.

2 2 M. Studer, A. Ryf, S. Loew, V. Lützenkirchen und T. Jesel 2.2 Zielsetzungen und Anforderungen an die Messsysteme Das Hauptziel der Überwachungsanlagen war, die Einhaltung der Grenzwerte für Geländeund Bauwerksdeformationen im Bereich der Staumauern mit automatischen Messanlagen zu überwachen. Bei kritischen Vortriebsständen in der Nähe der Staumauern sollten diese Messungen täglich zur Verfügung stehen. Neben der Deformationsanalyse in der Umgebung der Staumauern interessierten auch die Form des Setzungstrichters sowie der zeitliche Verlauf seiner Ausbreitung in Vortriebsrichtung und quer dazu. Diese Informationen waren wichtig, um abzuschätzen, ob der Setzungstrichter unterhalb der Staumauern im konvexen oder konkaven Bereich lag, was über die Entwicklung und den Betrag einer Talverengung bzw. verbreiterung entscheidet. Mittels statischer Simulationsrechnungen untersuchten Staumauerexperten die Empfindlichkeiten der Talsperren bezüglich des Öffnens oder Schliessens des Talquerschnitts. Es zeigte sich, dass eine solche Bewegung bei der empfindlichsten Mauer bis zu 10 mm (Öffnung) ohne Folgen für die Staumauer erreichen darf, denn bis zu diesem Wert bleibt auch im schlechtesten Fall das linear plastische Verhalten der Talsperre erhalten. Auf diesem Wert aufbauend wurde die Detektierfähigkeit des tachymetrischen Überwachungssystems für Talflankenbewegungen auf 4 mm festgelegt. Mit Nivellementmessungen bestimmte Höhenänderungen mussten ab 2.5 mm signifikant nachgewiesen werden. Während in den Talquerschnitten im Bereich der Stauanlagen relative Bewegungen genügen, sollten Nivellementmessungen grossräumig an mehrere Fixpunktgruppen angeschlossen werden, um absolute Angaben über Setzungsmulden zu erhalten. Für den Bauherrn war von Anfang an klar, dass nur mit Messungen höchster Genauigkeit, höchster Zuverlässigkeit und lückenloser Kontinuität derart kleine Bewegungen nachzuweisen sind. Ausserdem mussten natürliche Oberflächenbewegungen (meist Jahresgänge zyklischer Art, die durch den Wasserhaushalt nahe an der Erdoberfläche verursacht werden) eindeutig von den vom Tunnelvortrieb verursachten Bewegungen getrennt werden. Dies erfordert kontinuierliche Messreihen, die mehrere Jahre vor Beginn der Vortriebsarbeiten beginnen, um das "Normalverhalten" zu erfassen und somit die gesamte Messanlage zu kalibrieren. Die Kontinuität der Messreihen setzt eine hohe Betriebssicherheit und Wintertauglichkeit der Messanlagen im Hochgebirge voraus. 3 Realisierung des Überwachungssystems Der Aufbau des Messsystems begann im Jahr 2000 und die ganze Messanlage wurde bis im Herbst 2001 vollständig in Betrieb genommen. Aufgrund der unterschiedlichen Aufgabenstellungen und Randbedingungen (u.a. ganzjährige Resultatlieferungen im Tagesrhythmus, grossräumige Höhenüberwachungen, etc.) war von Anfang an klar, dass bei dieser Messaufgabe sowohl automatische als auch manuelle Messsysteme zum Einsatz kommen würden. Diese Kombination stellte sich in den vergangenen Jahren als ideale Lösung im Spannungsfeld einer maximalen Sicherheit und eines optimalen Mitteleinsatzes heraus. Für detailliertere Informationen zu den automatischen Tachymeter- und GPS-Anlagen sowie für die Beschreibung des umfangreichen, grossräumigen Nivellementnetzes verweisen wir auf die Beiträge der vergangenen Ingenieurvermessungskurse 2004, 2007 und 2010.

3 Erkenntnisse aus AlpTransit Gotthard Langzeitmonitoring 3 4 Messresultate per September Tachymetermessungen Abb. 1 zeigt die drei Messquerschnitte Nalps Nord (NN), Nalps Mauer (NM) und Nalps Süd (NS), sowie den Verlauf des GBT als Doppellinie (2 Tunnelröhren). Die Messquerschnitte liegen auf einer Meereshöhe zwischen (NN) und m ü.m. (NS) und der GBT hat eine maximale Scheitelhöhe von 550 m ü.m. Zwischen dem drainierenden Tunnel und der Geländeoberfläche liegen somit ca m kompakter Gotthard-Fels. NN Herbst 2005 Herbst 2006 Abb. 1: Übersicht der drei Tachymeter-Messquerschnitte im Val Nalps sowie der Vortriebsstände im GBT jeweils im Herbst 2005 bis Herbst 2009 NM Abb. 2 zeigt die relativen Bewegungen quer zur Talrichtung in jedem Herbst 2007 Messquerschnitt zwischen den beiden höchstgelegenen Punkten auf beiden Talseiten. Bei allen drei Querschnitten Herbst 2008 wurde eine signifikante Talverengung gemessen. Interessanterweise ist die maximale Talverengung bei NN und NS aktuell mit ca. 6.5 cm praktisch Herbst 2009 identisch und der dazwischen liegende NS Querschnitt NM zeigt nur eine maximale Talverengung von 2.5 cm. Alle drei Querschnitte zeigten bei deren Unterquerung durch den GBT bereits eine Talverengung von 1.5 bis 2.5 cm, d.h. die Talbewegungen durch die Drainage laufen dem Tunnelvortrieb zeitlich voraus. Das Punktpaar in NN zeigt, dass die Oberflächenbewegungen noch mehrere Jahre nach deren Unterquerung anhalten können, da das Tal an dieser Stelle noch nie so eng war wie aktuell, obwohl die Unterquerung bereits Anfang 2006 stattfand. In den Jahren 2009 bis 2011 schien eine Stabilisierung der Bewegungen eingetreten zu sein, doch in den letzten 2 Jahren hat sich das Tal an dieser Stelle um weitere 1.5 cm verengt. Abb. 2: Talflankenbewegungen in Querrichtung auf dem jeweils obersten Messniveau. L stellt die Horizontaldistanzen zwischen den beiden Punkten dar. Die Pfeile zeigen den Zeitpunkt der Unterquerung des jeweiligen Messquerschnitts.

4 4 M. Studer, A. Ryf, S. Loew, V. Lützenkirchen und T. Jesel 4.2 GPS Abb. 3 zeigt exemplarisch die Lageveränderungen von 2 GPS-Stationen durch den Tunnelvortrieb. Nalps Mauer wanderte zu Beginn 2 cm nach Norden, wo es Mitte 2007 zu einem Wendepunkt kam, worauf der Punkt bis Ende 2012 kontinuierlich Richtung Süden wanderte. Im Jahr 2013 scheint der Punkt nun 6 cm südlicher als zu Messbeginn stabil zu bleiben. Da dieser Punkt unmittelbar neben der Staumauer liegt, konnte gezeigt werden, dass die gesamte Mauer und deren unmittelbare Umgebung in den vergangenen 6 Jahren eine Relativbewegung von 8 cm aufwies. In der Ost-Westkomponente zeigte sich zwischen 2008 und 2012 eine kontinuierliche Bewegung in Richtung der Tunnelachse um ca. 2.5 cm. Der 2.2 km östlich der GBT-Achse gelegene Punkt SM Nord Ost zeigt aufgrund der grösseren Entfernung zur Achse kleinere Bewegungen. Aktuell liegt der Punkt 2.5 cm südlicher und 2.5 cm westlicher als zu Messbeginn, d.h. auch dieser Punkt hat sich in Richtung der Tunnelachse verschoben. Interessanterweise ist dieser Betrag gleich gross wie beim Punkt Nalps Mauer, der nur 400 m westlich der GBT-Achse liegt. Abb. 3: Lageveränderungen in Nord und Ost von 2 ausgewählten GPS-Stationen Abb. 4 zeigt die relativen Höhenänderungen dieser beiden Punkte im Verlauf der vergangenen 8 Jahre. Dabei zeigt sich bei Nalps Mauer seit Mitte 2010 eine Stabilisierung, obwohl im gleichen Zeitraum lagemässig noch eine Relativverschiebung von 4 cm nach Süden stattgefunden hat. Abb. 4: Höhenänderungen von 2 ausgewählten GPS- Stationen 4.3 Nivellement Abb. 5 zeigt die Geländesetzungen im Val Nalps in den vergangenen 8 Jahren in Form eines Längenprofils. Auch mit diesem Messverfahren ist klar erkennbar, dass Setzungen bereits vor der eigentlichen Tunnelunterquerung signifikant nachgewiesen werden und andererseits diese Setzungen noch mehrere Jahre nach der Fertigstellung des Tunnelrohbaus andauern können. Wie schwierig eine lokale Setzungsprognose durch die grosse Fels-

5 Erkenntnisse aus AlpTransit Gotthard Langzeitmonitoring 5 überlagerung von mehr als m und lokale geologische Heterogenitäten ist, zeigt die Tatsache, dass die grösste Absolutsetzung mit 8 cm ca. 1 km südlich der Mauer Nalps gemessen wird, obwohl die Felsüberdeckung im nördlichen Val Nalps viel kleiner ist (siehe Abb. 5 oben) und die GBT-Achse hier direkt unter dem Talfuss liegt. Abb. 5: Längenprofil der Geländesetzungen im Val Nalps, Erkenntnisse des Bauherrn Adrian Ryf, Leiter Geomatik AlpTransit Gotthard AG Wir wollen das Projekt AlpTransit Gotthard in der vereinbarten Qualität, möglichst rasch und zu minimalen Kosten realisieren hat sich die AlpTransit Gotthard AG schon früh als Ziel gesetzt. Qualität, Termine und Kosten standen und stehen in jeder Projektphase und bei jedem Teil des Gesamtprojektes im Vordergrund. Zur Erreichung dieser Ziele gehört ein rigoroses Risikomanagement, dessen Anfänge bis zum Beginn des Projektes zurückreichen. Das Bewusstsein, dass Risiken nicht nur beim Vortrieb tief im Berg, sondern auch an der Erdoberfläche im Bereich von Talsperren existieren, war bei den Verantwortlichen des Bauherrn früh vorhanden. Dass beim Tunnelbau der umliegende Fels drainiert wird und dies Setzungen an der Erdoberfläche zur Folge haben kann, hatten bereits andere Tunnelprojekte in der Schweiz gezeigt. Glücklicherweise liessen sich die am Anfang noch zweifelnden Experten und Behörden überzeugen, dass auch bei einem so tief liegenden Tunnel die Umgebung der Talsperren schon mehrere Jahre bevor sich der Tunnelvortrieb annäherte und auch während des ganzen Tunnelbaus mit grossräumigen Monitoring-Anlagen zu überwachen sei. Die Vortriebe von Sedrun Richtung Süden näherten sich den Talsperren drei Jahre vor denjenigen von Faido. Vorauserkundungen zur Lokalisierung wasserführender Störzonen und entsprechende Injektionsmassnahmen im Tunnel standen im Vordergrund, um den

6 6 M. Studer, A. Ryf, S. Loew, V. Lützenkirchen und T. Jesel Wasserzufluss zu begrenzen. Die Verzögerung der Bauzeit durch diese Massnahmen betrug ein halbes Jahr. Der Zusammenhang zwischen den Wasserzuflüssen im Tunnel und den an der Erdoberfläche gemessenen Setzungen war offensichtlich. Zunehmende Kenntnisse dieser Zusammenhänge und des geologischen Befundes ermöglichten es, ein zunehmend präziseres Rechenmodell (drei-dimensionales Finite-Elemente Modell) des Spannungs- Dehnungsverhaltens des Felsmassivs zu berechnen. In den Vortrieben von Faido Richtung Norden standen die Injektionsmassnahmen nicht mehr im Vordergrund und verzögerten den Vortrieb damit nicht mehr. Für die Talsperre Santa Maria, die in dieser Projektphase bei den Betrachtungen von höherer Bedeutung war, wurden drei Risikostufen definiert. Statt der Massnahmen auf Tunnelniveau wurden die Resultate des Monitorings an der Erdoberfläche permanent sorgfältig beobachtet und das Rechenmodell regelmässig nachgeführt, um bei Bedarf bauliche Massnahmen direkt an der Talsperre umsetzen zu können. Dieses geänderte Konzept erwies sich als optimale Wahl. Dank dem Einsatz der Experten und der engen Zusammenarbeit mit den Kraftwerkbetreibern konnte auf einer grossen Länge des Tunnels auf Abdichtungsinjektionen verzichtet werden. Bei strikter Befolgung der früheren Konzepte und ohne die grossräumigen Monitoring-Anlagen an der Erdoberfläche wären enorme Bauzeitverlängerungen und Mehrkosten im dreistelligen Millionenbereich entstanden. Im Nachhinein sind alle Beteiligten überzeugt, dass sich die grosse Investition in die Überwachung und in deren Begleitung durch die Experten in jedem Fall mehrfach gelohnt hat. Die Resultate der Monitoring-Anlagen, insbesondere die periodisch nachgeführten Grafiken, werden durch den Bauherrn und die von ihm beauftragten Experten noch heute regelmässig und intensiv analysiert, um bei aussergewöhnlichen Ergebnissen entsprechend reagieren zu können. 6 Erkenntnisse des Ingenieurgeologen I Prof. Dr. Simon Löw, Geologisches Institut der ETH Zürich Die langen Zeitreihen der verschiedenen Messsysteme ermöglichen eine weltweit einmalige Analyse der Entwicklung grossräumiger Deformationen über einem progressiv vorgetriebenen tiefliegenden Tunnelbauwerk und den mit diesen Deformationen verknüpften hydromechanisch gekoppelten Prozessen und Gebirgseigenschaften. Die Untersuchungen an der Professur für Ingenieurgeologie der ETH Zürich können in drei Themen aufgeteilt werden: 1. Natürliche reversible Deformationsprozesse in alpinen Talflanken 2. Geometrie der Vortriebs-induzierten Oberflächendeformationen 3. Zeitliche Entwicklung der Vortriebs-induzierten Oberflächendeformationen Das fortlaufend verbesserte Verständnis dieser Prozesse und Eigenschaften war sowohl für Entscheide während, wie auch nach dem abgeschlossenen Tunnelvortrieb von grosser Bedeutung. Auch zukünftige Untertageprojekte werden von den zahlreichen wissenschaftlichen und praktischen Erkenntnissen aus diesem Monitoringsystem des GBT profitieren. Die Tachymeter-Messanlagen zeigten während der ersten Messjahre ohne Einfluss des Tunnelvortriebs, d.h. der Phase der Erfassung des Normalverhaltens, unerwartet grosse und reversible Oberflächendeformationen in Richtung quer zu den jeweiligen Talachsen. Eine Detailanalyse ergab, dass die Ursache dieser natürlichen Bewegungen in volumetri-

7 Erkenntnisse aus AlpTransit Gotthard Langzeitmonitoring 7 schen Gebirgsdeformationen lag, die durch jährliche Variationen der Grundwasserspiegelhöhen in den angrenzenden Talflanken ausgelöst wurden (Loew et al. 2007a; El Tani and Bremen 2006). Es konnte zudem gezeigt werden, dass die Deformationen ohne messbare zeitliche Verzögerung auf Infiltrationsereignisse aus Schneeschmelze und Starkniederschläge reagieren. Diese Prozesse wurde in der Folge durch ein mathematisches Modell abgebildet, welches die horizontalen Deformationen quer zur Talachse in eine mathematische Beziehung zur Grundwasserneubildung aus Schneeschmelze und Starkniederschlägen, sowie zur Grundwasserentleerung in Trockenperioden stellt (Hansmann et al. 2012). Die Modellparameter wurden für jeden Querschnitt separat aus Verformungsdaten während den ersten 2-4 ungestörten Messjahre kalibriert. Das kalibrierte mathematische Modell ist in der Lage, die beobachteten natürlichen Deformationen mit hoher Präzision aus den gemessenen Klimadaten zu simulieren (Abb. 6) und wurde in den Folgejahren mit Erfolg eingesetzt, um die Vortriebs-induzierten kleinen Deformationen in grossen Distanzen von der Tunnelachse (insb. bei Sta. Maria) zuverlässig zu identifizieren und zu quantifizieren. Abb. 6: Gemessene (hellgrau) und modellierte (dunkelgrau) horizontale Verformungen quer zur Talachse in Val Termine (VT), Sta. Maria (SM), Nalps Süd (NS) und Nalps Nord (NN) im Vergleich zur relativen Position des Tunnelvortriebs. Die Pfeile zeigen die Kalibrationsperiode (Hansmann et al. 2012). Die Geometrie der Vortriebs-induzierten Verformungen zeigt in Richtung parallel zur Tunnelachse (Val Nalps und VT) in den ersten 10 Jahren nach Beginn des Vortriebs einen sehr unregelmässigen Verlauf, welcher primär durch die unterschiedlichen felsmechanischen und hydraulischen Eigenschaften der querschlägig durchörterten steilstehenden Formationen und Brüche bedingt ist. Nivellement-Linien quer zur Tunnelachse zeigen im Querschnitt NM einen viel ruhigeren Verlauf, welcher nahezu einer idealen Gauss schen Normalverteilung folgt. Dies wird durch die relativ homogenen geologischen Eigenschaften quer zur Tunnelachse erklärt. Die geologische Heterogenität und Anisotropie spielte somit für die Setzungsgeometrie eine entscheidende Rolle. Die unregelmässigen Setzungen (oder Krümmungen) an der Geländeoberfläche führen auch zu horizontalen Verformungen, welche ähnliche Magnituden aufweisen, wie die oben beschriebenen natürlichen Verformungen. Während sich vor der Tunnelbrust kompressive

8 8 M. Studer, A. Ryf, S. Loew, V. Lützenkirchen und T. Jesel horizontale Verformungen (in beide Richtungen) ergeben, kehren sich bei Durchgang der Tunnelbrust unter den Messquerschnitten die Verformungen in horizontale Extension um. Aufgrund der hydraulischen und/oder mechanischen Gebirgsanisotropie sind über dem Tunnel die horizontalen Verformungen quer zur Tunnelachse leicht höher als in Richtung parallel zur Tunnelachse (Hansmann 2012). Numerische Modellrechnungen (Loew et al. 2007b; Hansmann 2012) bestätigen, dass die Deformationen an der Geländeoberfläche sowohl eine Funktion der hydraulischen Gebirgs- Durchlässigkeiten (und induzierten Porendruckabsenkungen durch Tunneldrainage), der Speichereigenschaften und Porositäten, der elastischen Verformungsparameter sowie vermutlich auch der Scherfestigkeiten grösserer Bruchflächen (Zangerl et al. 2008a,b) sind. Dabei sind diese Gebirgseigenschaften vor allem in der Tiefe, d.h. der Umgebung des drainierenden Tunnelbauwerks ausschlaggebend, da sich hier das Gebirge aufgrund der Drainage hydraulisch entlastet und mechanisch verformt. Die Druckentlastung in der Tiefe beginnt bei den durch Vorausbohrungen drainierten durchlässigen Störungen und breitet sich mit der Zeit aus diesen Bruchstrukturen in das geklüftete Umgebungsgestein aus. Auch bei den relativ kleinen Tunnelzuflüssen und Durchlässigkeiten des GBT-Vortriebs im Val Nalps (Masset et al. 2010) ergeben sich nach mehreren Jahren erhebliche Setzungsbeträge. Die Porendruckabsenkung durch hydraulische Diffusion in der Tiefe wird durch den progressiven Tunnelausbruch überlagert und manifestiert sich an der Geländeoberfläche durch transiente Deformationen. Im Gegensatz zum Sprengvortrieb (aus Sedrun) führt der schnelle TBM-Tunnelvortrieb (aus Faido) zu einem verzögerten Setzungsverhalten, wenn der Vortriebsstand als Referenz verwendet wird. Die meisten Messpunkte zeigen seit dem Durchschlag im Oktober 2010 eine Abnahme der Setzungsraten an, welche in den Jahren zuvor eine räumlich variable Rate von bis zu 25 mm/a aufgezeigt hatten. Aus den sich erst seit kurzem stabilisierten Setzungen über dem im Jahre 1996 ausgebrochenen Zugangstunnel Sedrun können hydraulische Diffusivitäten um oberflächennahe ( m Tiefe) Tunnelbauwerke von geschätzt werden. Diese sind in der Tiefe geringer, da sich die Setzungen über den tiefer liegenden Partien des GBT zwar teilweise verlangsamt aber noch nicht stabilisiert haben. 7 Erkenntnisse des Ingenieurgeologen II Dr. Volker Lützenkirchen, Dr. sc. nat. ETHZ, Geologe des Büros Dr. von Moos AG Zusätzlich zu den im vorangehenden Kapitel beschriebenen Untersuchungen stellen die erhobenen Vermessungsdaten Grundlagen für folgende Untersuchungen dar: Beurteilung von aus Setzungen resultierenden lokalen Krümmungen an der Geländeoberfläche und ihren Auswirkungen (Beispiel unten) Überwachung kleinräumiger, evtl. diskreter Bewegungen entlang von ±planaren Schwächezonen im Gebirge (Störzonen) Bestimmung des Bergwasservolumens, welches aufgrund der Zunahme der effektiven Spannungen im Gebirge durch den Vortrieb drainiert wird ("Netto-Wasserentnahme"), auf Grundlage der Bestimmung des Setzungsvolumens Der Vergleich unterschiedlicher Messmethoden (Tachymetrie, Präzisions-Nivellement und GPS-Daten) erlaubt zudem die Beurteilung der Plausibilität der Messresultate.

9 Erkenntnisse aus AlpTransit Gotthard Langzeitmonitoring 9 Vertikalbewegung im Vergleich zu 2002 [mm] Druckstollen Sta. Maria-Nalps Koordinate Y [m] Verengung GBT Öffnung D ruckstollen C urnera-n alps Anhand eines Beispiels wird im Folgenden gezeigt, wie die erhobenen Vermessungsdaten eine qualitative resp. halbquantitative Abschätzung von Bewegungstendenzen erlauben: Die Geometrie der Bewegungen an der Oberfläche ist entscheidend für die Entwicklung der kritischen Horizontalbewegungen im Bereich der Bogenstaumauern. Mittels Präzisionsnivellement und GPS-Messungen sind die Setzungen an der Geländeoberfläche heute bis in eine Distanz von 3 bis 4 km vom Trassee des GBT zu verfolgen. Es hat sich dabei auf einem Profil quer zum Trassee ein Setzungstrichter mit steilen Flanken und einem flachen Randbereich herausgebildet (Profil Stauhaltung Nalps, Abb. 7). E W Abb. 7: Ost-West-Profil 0 durch den Bereich der -5 Stauhaltung Nalps entlang -1 0 der Druckstollen Sta. Maria-Nalps sowie Curnera Nalps (Lützenkirchen , verändert) Ob diese an der Geländeoberfläche zu 2012 Stauhaltung -3 5 Nalps beobachtenden Bewegungen zu einer Verengung (=horizontale Verkürzung) quer zur Talachse oder zu einer Talöffnung (=horizontale Verlängerung) führen, ist abhängig von der Lage der Staumauer in diesem Trichter (Abb. 8). Im Bereich des konkav geformten Zentrums des Setzungstrichters bis zu einem Wendepunkt an der Flanke des Trichters kommt es oberhalb der Geländeoberfläche in horizontaler Richtung durch die Verkippung eines angenommenen Bauwerkes zu einer Verengung, im konvex gebogenen Bereich des Trichters zwischen dem Wendepunkt und Trichterrand zu einer Öffnung. Abb. 8: Schematische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Verlauf des Setzungstrichters an der Oberfläche und den resultierenden horizontalen Bewegungen durch die Verkippung eines Bauwerkes. Abb. 9 zeigt eine Auswahl von Daten des Präzisionsnivellements und der tachymetrischen Überwachung jeweils im Sommer (August/September) im unmittelbaren Staumauerbereich Nalps. Es zeigt sich, dass nach 2005 vor allem im Bereich der Stauhaltung resp. der Talachse signifikante Setzungen zu verzeichnen waren. Das entsprechende Minimum des Setzungstrichters, in Abb. 9 mit Pfeilen markiert, bewegte sich in der Folgezeit unter Zunahme der Setzungsgeschwindigkeit nach Osten Richtung GBT-Trassee. Der Vortrieb erreichte den Staumauerbereich im Herbst Im Sommer 2008 lag das Minimum des Trichters ausserhalb des Stauhaltungsbereiches und bewegte sich weiter Richtung Trassee, bis es im Sommer 2012 bei einem Gesamtsetzungsbetrag von ca. -55 mm genau darüber lag Höhe über Meer [m]

10 10 M. Studer, A. Ryf, S. Loew, V. Lützenkirchen und T. Jesel Vertikalbewegung im Vergleich zu 2002 [mm] Horizontaldistanz NM ( ) [mm] Ost Nivellements Stufe 3 Nivellements Stufen 1 & West Druckstollen C urnera-n alps Druckstollen 2010 Sta. M aria-n alps -5 5 Bereich Bogen lokales Minimum GBT 450 m tiefer stau- mauer Koordinate [m] Vertikalbewegung Nivellement GBT 29 (Mauerfuss) [mm] Höhe über Meer [m] Abb. 9: Vergrössertes Ost-West- Profil durch den Bereich der Stauhaltung Nalps mit ausgewählten Daten aus Nivellement und Tachymetriemessungen (Lützenkirchen 2012, verändert). Der Staumauerbereich befand sich bis und mit 2007 im Bereich eines deutlich konkaven Abschnitts des Setzungstrichters. Durch die weitere Ostverschiebung des Trichterminimums lag er ab ca eher im Bereich des in Abb. 8 dargestellten Wendepunktes (Übergang konkavekonvexe Form) an der Trichterflanke. Entsprechend war zu erwarten, dass trotz anhaltender Setzung die Horizontalbewegung resp. die Talverengung im Mauerbereich nicht im gleichen Masse anhält wie die Setzung. Abb. 10 zeigt halbquantitativ diesen Zusammenhang anhand eines Tachymetrie- Punktepaares auf der Mauerkrone (Nr ) und dem nivellitisch gemessenen Punkt GBT29 am Mauerfuss. Bis und mit 2007 entwickeln sich Setzungsbeträge und die Horizontalbewegungen auf Kronenhöhe ungefähr gleich. Ab 2008 verengt sich das Tal auf diesem Niveau nur noch wenig, während sich die Setzung bis 2010 noch beschleunigte. Im Bereich der Stauhaltung Sta. Maria, welche ca. 2.5 km vom Trassee des GBT entfernt liegt, zeigt sich entsprechend eine Talöffnung, da sie sich im konvexen Bereich des Setzungstrichters befindet (nicht dargestellt). Abb. 10: Vergleich von Vertikalbewegung (Präzisionsnivellement) und Talverengung (Tachymetrie) im Talquerschnitt Nalps Mauer (Lützenkirchen 2012, verändert) 8 Erkenntnisse des Projektingenieurs Thomas Jesel, Dipl. Bauing, Amberg Engineering AG Im Vorfeld des Tunnelvortriebes wurde unter der Führung der Alp Transit Gotthard AG ein Expertengremium, die FK VST (Fachkommission Vortrieb und Stauhaltungen) gegründet, das sich dem Thema des Drainageeinflusses auf die Talsperrensicherheit angenommen hat.

11 Erkenntnisse aus AlpTransit Gotthard Langzeitmonitoring 11 Basierend auf theoretischen Überlegungen wurden Modellrechnungen durchgeführt, um die Auswirkungen des Tunnelbaus auf die beiden Stauanlagen Nalps und Sta. Maria zu simulieren. Ziel war es, Randbedingungen für den Tunnelbau hinsichtlich der maximal erlaubten Drainage zu definieren. Die Untersuchungen haben gezeigt, dass die entnommene Gesamtwassermenge im Einflussbereich der Stauhaltungen das entscheidende Kriterium war. Diese kritische Wassermenge wurde als Gesamtvolumen der temporären minus der stationären Wasserschüttung über die Zeit ermittelt. Durch das grossräumig angelegte Vermessungsnetz über dem Tunnel konnte der Einfluss des Tunnelbaus direkt beobachtet werden. Dabei ist zu beachten, dass es eine gewisse Verzögerung gibt zwischen der Wasserentnahme im Tunnel und den messbaren Auswirkungen an der Oberfläche. Als die entsprechenden Vortriebsarbeiten in den Einflussbereich der Stauanlagen kamen, konnte dies auch gut an den Messungen an der Oberfläche beobachtet werden. Wurde Wasser im Tunnel angetroffen, legte das Expertengremium auf Grund der bisherigen Erfahrung, dem bis dato entnommenen Gesamtvolumen und einer entsprechenden Prognose einen kritischen Wert für die Zone fest. Im Teilabschnitt Sedrun wurde bei der Störzone 44 eine Wasserschüttung von 12 l/s festgestellt und entschieden, dass der Bereich injiziert werden musste. Mit grossem Aufwand wurde die Schüttung auf 3 l/s reduziert und danach der Vortrieb fortgesetzt. Unterdessen waren die Bewegungen auch deutlich an der Stauhaltung Nalps messbar. Der Erfolg der Massnahme wurde auch direkt im Tunnel überprüft, indem der Wasserdruck überwacht wurde. Ein konstanter Wasserdruck hätte auf einen konstanten Bergwasserspiegel hingewiesen. Die Messungen zeigten jedoch, dass der gemessene Druck über die Zeit kontinuierlich abnahm. Daraus musste abgeleitet werden, dass die Reduktion des Wassereintrages zwar die Geschwindigkeit der Absenkung des Bergwasserspiegels und damit auch der Bewegungen an der Oberfläche reduzieren konnte nicht aber deren Endausmass. Die Messungen an der Oberfläche bestätigten diesen Sachverhalt. Dieses Ergebnis konnte aufgrund der Genauigkeit und der Prognoseschärfe der vorhandenen Modelle vorgängig so nicht vorausgesagt werden. Aus dieser Erkenntnis wurde für die Unterquerung der zweiten Stauhaltung Sta. Maria im Teilabschnitt Faido das Vorgehen angepasst. Obwohl die Staumauer auf Grund ihrer Lage und Konstruktion als kritischer einzustufen war, wurde auf Vorgaben an den maximalen Wassereintrag im Tunnel verzichtet. Stattdessen erfolgte eine detaillierte Analyse der Staumauer selbst, bis hin zu einem Sanierungskonzept für den Fall, dass die Grenzwerte der Verschiebungen bei der Staumauer erreicht hätten und die Mauer Schaden genommen hätte. Dieses Konzept wurde folgerichtig auch nicht angepasst, als auf der TBM im Tunnel eine wasserführende Zone mit initialen Schüttmengen von knapp unter 100 l/s angefahren wurde. Der Einfluss wurde entsprechend zeitversetzt an der Oberfläche gemessen. Bis heute hat sich dieses Konzept als richtig erwiesen. Die Bewegungen sind zwar noch nicht vollständig abgeklungen, aber bei beiden Staumauern wurden keine kritischen Verschiebungswerte erreicht und es ist aus heutiger Sicht auch nicht mehr damit zu rechnen, dass dies noch geschieht.

12 12 M. Studer, A. Ryf, S. Loew, V. Lützenkirchen und T. Jesel 9 Literatur EL TANI M., BREMEN R. (2006): Val Termine cyclic deformation due to seasonal variation of water table. Golden Rocks 2006, The 41st U.S. Symposium on Rock Mechanics (USRMS), June 17 21, 2006, Golden, CO HANSMANN J., LOEW S., Evans K., (2012): Reversible rockslope deformations caused by cyclic water table fluctuations in mountain slopes of the Central Swiss Alps. Hydrogeology Journal 20, HANSMANN J. (2012): Analysis of transient surface deformations above the Gotthard Base Tunnel (Switzerland). PhD Thesis ETH Zurich, pp. 180 LUETZENKIRCHEN V. & MATOUSEK, F. (2013): Nivellementmessungen bis 2012, unveröffentlichter Bericht Dr. von Moos AG, Bericht U1234M-14 vom LOEW S., EBNETER F., BREMEN R., HERFORT M., LUETZENKIRCHEN V., MATOUSEK F. (2007a): Annual Opening and Closure of Alpine Valleys. Felsbau, Rock and Soil Engineering 25 (5), LOEW S., HERFORT M., HANSMANN J. (2007b): Zeitliche und räumliche Entwicklung der Geländeverformungen bei Santa Maria: Untersuchungen mit einem vereinfachten hydromechanischen Modell, Unveröffentlichter Bericht AlpTransit Gotthard, ETH Zürich, Professur für Ingenieurgeologie Nr MASSET O., LOEW S. (2010): Hydraulic conductivity distribution in crystalline rocks, derived from inflows to tunnels and galleries in the Central Alps, Switzerland. Hydrogeology Journal 18(4): RYF A., HAAG R., SCHÄTTI I. (2000): AlpTransit Gotthard-Basistunnel: Aktueller Projektstand, ingenieurgeodätische Aspekte. XIII. Internationaler Kurs für Ingenieurvermessung, München STENGELE R, RYF A., SCHÄTTI I., STUDER M., SALVINI D. (2010): Vermessung im Gotthard-Basistunnel: Vortriebsvermessung, Laserscanning und Langzeit-Monitoring. 16. Internationaler Kurs für Ingenieurvermessung, München STUDER M., BRÄKER F. (2007): Kombinierter Einsatz von automatischen und manuellen Messmethoden bei einem Langzeitmonitoring. 15. Internationaler Kurs für Ingenieurvermessung, Graz STUDER M., BRÄKER F., RUTISHAUSER M., SCHÄTTI I., STENGELE R. (2004): Geodätisches Monitoring im Hochgebirge. 14. Internationaler Kurs für Ingenieurvermessung, Zürich ZANGERL C., EBERHARDT E., EVANS K., LOEW S. (2008a): Consolidation settlements above deep tunnels in fractured crystalline rock: Part 2 Numerical analysis of the Gotthard highway tunnel case study. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 45 (8), ZANGERL C., EVANS K., EBERHARDT E., LOEW S., (2008b): Consolidation settlements abovedeep tunnels in fractured crystalline rock: Part 1 Investigations above the Gotthard highway tunnel. International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences 45 (8),