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1 Gotthard-Basetunnel: Surveying the longest and deepest railway-tunnel worldwide Roland Stengele, Dr. Geospatial World Forum, Swiss Day Geneva, 08. May 2014

2 Gotthard-Basetunnel: Surveying the longest and deepest railway-tunnel worldwide Project Overview Geodetic Aspects Surveying Underground Monitoring, Scanning & Track Control Impressions

3 Crossing the Alps from North to South

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6 Existing tunnels 1882: Gotthard Railway tunnel, m 1905: Simplon Railway tunnel, m 1913: Lötschberg Railway tunnel, m 1980: Gotthard Road tunnel: m New tunnels 2007: Lötschberg Base tunnel, m 2017: Gotthard Base tunnel, m

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11 R. Stengele _ 11 Required Accuracy Break through results (1 s ) < 10 cm long & cross < 5 cm height Worst Case = 2.5 s

12 Geodetic Reference Frame horizontal Legende 4 GBT-Hauptdurchschläge GBT-Hauptdurchschläge 27 GPS-Netzpunkte 5 LV95-Landesvermessung GPS => only horizontal 35 points on rock-solid ground 1 st campaign in 1995 Repetition in 2005 Accuracy < 10 mm (1 s) R. Stengele _ 12

13 Vertical Movements Stuttgart, 8 June, 2011

14 R. Stengele _ 14

15 Orthometric Correction Influence of the Gravity field Theoretical misclosure due to non-parallelism of the equipotential surfaces gravity values have to be measured or predicted

16 Orthometric Correction Verification of model-based orthometric correction by gravitiy measurements

17 Geodetic Network underground Functional model parallel high precision polygons strictly in the centre of both tubes point to point distances 420 to 450 m in curves: reduced point distance 310 m, clearance from wall > 1.5 m East-West-Connections after 3 PP overlapping measurements (840 m) Gyroscope measurements on every 5. to 7. point Height determination by corrected precise levelling Grundlagennetz Pfeiler Portalpunkt Polygonpunkt Vortriebsnetz Visurlinie Vortriebsrichtung R. Stengele _ 17

18 Limited accuracy of geodetic measurements & risk of systematic errors = Verschwenkung des Polygonzuges der Richtungswinkel mit/ohne Kreiselazimute Korrittke, 1998

19 Orientation by Astronomical Azimuths

20 Gyroscope Independent control of the orientation underground Several instruments from ETH Zurich / VI-GBT UniBW München DMT Essen Stuttgart, 8 June, 2011 R. Stengele _ 20

21 Gyroscope measurements necessary for keeping the accuracy in orientation have to be corrected for the influence of the deflections of vertical (DOV) verification of DOV by astronomical measurements using zenith-camera (ETH Zürich)

22 Vertical plumbline 800 m Sedrun 3 x optical 1 x mechanic R. Stengele _ 22

23 Stochastic modelling & prediction of break-through-results 10 mm 3 cc 0.5 mm + 1 ppm 0.5 mm 15 cc 24 mm accuracy in reference frame orientation distance centering Gyroscope Vertical plumbline ( 3 mm per 100m ) R. Stengele _ 23

24 Datum Vortrieb Länge quer längs hoch (km) (mm) (mm) (mm) Bodio - Faido Amsteg - Sedrun Erstfeld - Amsteg Sedrun - Faido

25 Historische Alpendurchstiche Datum Vortrieb Länge quer längs hoch [km] [cm] [cm] [cm] Gotthard-Bahntunnel Simplontunnel < Lötschbergtunnel Eurotunnel Lötschberg-Basistunnel Mitholz-Ferden Gotthard-Basistunnel 57.0 Faido - Bodio 19.8 Amsteg - Sedrun 17.3 Erstfeld -Amsteg 10.1 Sedrun - Faido

26 What happens at the surface? Safety of dams? => Monitoring Geodetic Networks Levelling GPS

27 Precise Levellings => Settlements

28 Results

29

30 Results m mm

31 -25 mm (2010 vs. 2012)

32 Horizontal movements

33 Nalps Süd Nalps Mauer Nalps Nord I

34 Nalps: change of distances!!! Unterquerung NS Unterquerung NN Unterquerung NM

35 High Resolution Laserscanning

36 Track control: Multi-Sensor-Robotor

37 Track control: Concept

38 Lage , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,800 Überhöhung 2.0 Kilometrierung [m] 1.0 Spurweite , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,800 Kilometrierung [m] -1 Verwindung 138, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,800 Kilometrierung [m] Kilometrierung [m] Verwindung IST - SOLL [ ] 138, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,800 Höhe Kilometrierung [m] Höhe IST - SOLL Überhöhung IST [mm] SOLL [mm] Spurweite IST SOLL Lage IST - SOLL [mm] Track control: Results

39 Teamwork! Altdorf

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42 Stuttgart, 8 June, 2011

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44 R. Stengele _ 44

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