2 Geomechanics and ISSN 1865-7362 185 Geomechanik · PDF file2 April 2012, p. 175–185...

2April 2012, p. 175–185ISSN 1865-736277399

reprint / Sonderdruck

Geomechanics andTunnelling

Construction of a cavern under an autobahnembankment for the Ceneri Base Tunnel

Unterquerung eines Autobahndammsdurch eine Kaverne beim Ceneri-Basistunnel

Dipl.-Ing. Raffaele FilippiniProf. Dr. Kalman KováriDipl.-Ing. Francesco Rossi

Geomechanikund Tunnelbau

2 © 2012 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Geomechanics and Tunnelling 5 (2012), No. 2

The driving of a cavern with large dimensions with little cover under an autobahn embankment while preserving road safety results in challenging design and construction problems. The embankment is filled against a mountainside and is founded on an intermediate layer of loose ground several metres thick above the rock. The acute angle between the centreline of the cavern and the autobahn and the rock boundary made for a markedly three- dimensional structure. The chosen concept for the tunnel structure has the following features: top heading advance with previ- ously concreted abutments to support the shotcrete temporary lining under the protection of a double jet grout canopy. Each concrete abutment is also supported on a foundation body formed of jet grout columns, so that the loading on the vault is transferred directly into the undisturbed rock. The face of the top heading with an excavated area of up to 160 m2 is supported partially by passive steel anchors and partially by reinforced jet grout columns. The maximum surface settlements of the carriageway resulting from the driving of the top heading and the bench/invert were only 35 mm.

1 Introduction

The Neue Eisenbahn Alpentransversale (NEAT) railway line crossing the Alps at the Gotthard requires, in addition to the Gotthard Base Tunnel, the construction of the 15.4 km Ceneri Base Tunnel in the Canton of Tessin. Its north portal forms part of the Camorino railway junction, where the entry to the tunnel is formed as a cavern with large dimensions for technical transport reasons, and here passes below a five-lane stretch of the National autobahn A2 with an acute skew (approx. 30°). The specified stan- dard section with the inner lining is shown in Figure 1. It has umbrella waterproofing. For logistics reasons, the sec-tion had to be kept free in the excavation support state, and the internal wall was only built years after the excava-tion together with the inner lining. Parallel to this cavern, a single-track rail tunnel also has to be constructed near- by. Figure 2 shows the two starting excavations prepared for the start of tunnelling. This report explains the design and construction of the cavern with a maximum span of the excavated section of 24 m and a height of 17 m. The cover under the carriageway is only about 10 m. As can be seen in Figure 3, the upper part of the section of the cavern cuts through filled loose material of the road embank-ment, and the invert cuts through the intermediate layer of

Die Unterfahrung eines Autobahndammes durch eine Kaverne mit großen Abmessungen bei geringer Überlagerung und bei Ge- währleistung der Verkehrssicherheit stellt anspruchsvolle plane- rische und ausführungstechnische Probleme. Der Dammkörper lehnt sich an eine Felsböschung und ruht auf einer Zwischen- schicht von Lockergesteinen von einigen Metern Stärke, auf die dann wieder Felsmaterial folgt. Der schiefe Schnitt zwischen der Achse der Kaverne und der Autobahn sowie die Felsbegrenzung schufen ein ausgesprochen drei dimensionales Tragwerk. Das gewählte tunnelstatische Konzept wies folgende grundlegende Merkmale auf: Kalottenvortrieb mit voraus erstellten Betonwider- lagern für die Spritzbetonschale im Schutz eines doppelten HDI- Gewölbes. Die Betonwiderlager selbst werden auf Fundations- körper aus HDI-Säulen gestellt, sodass die Gewölbebelastung direkt zum anstehenden Fels geführt wird. Die Ortsbrust der Kalotte mit einer Ausbruchfläche von bis zu 160 m2 wird teils durch Pas- sivanker aus Stahl, teils durch bewehrte HDI-Säulen gesichert. Die größte Oberflächensetzung auf der Fahrbahn betrug, infolge des Vortriebs der Kalotte und der Strosse/Sohle insgesamt lediglich 35 mm.

1 Einleitung

Die Neue Eisenbahn Alpentransversale (NEAT) am Gott- hard verlangt neben dem Gotthard Basistunnel auch die Realisierung des 15,4 km langen Ceneri-Basistunnels im Kanton Tessin. Dessen Nordportal bildet einen Teil des Eisenbahnknotenpunkts Camorino, wo der Eingangsbe- reich des Tunnels aus verkehrstechnischen Gründen als eine Kaverne mit großen Abmessungen ausgebildet ist, welche die hier als fünfspurig geführte Nationalstraße A2 schiefwinklig (ca. 30°) unterfährt. Das geforderte Normal- profil mit der Innenschale ist im Bild 1 dargestellt. Es weist eine Schirmabdichtung auf. Aus Gründen der Logistik war das Profil im Zustand der Ausbruchsicherung frei zu Hal-ten. Die Zwischenwand wurde erst Jahre nach dem Aus- bruch zusammen mit der Innenschale eingebracht. Paral-lel zur Kaverne wird in deren Nähe auch ein eingleisiger Bahntunnel erstellt. Das Bild 2 zeigt die beiden Baugru- ben, von wo die Tunnelanschläge erfolgten. Der Beitrag er-läutert den Entwurf und die Konstruktion der Kaverne mit einer maximalen Spannweite des Ausbruchprofils von 24 m und einer Höhe von 17 m. Die Überlagerung bis zur Fahrbahn beträgt nur rund 10 m. Wie aus Bild 3 hervor-geht, durchörtert die Kaverne in ihrem oberen Profilbe- reich den Dammkörper aus aufgeschüttetem Lockerge-

Topics

Construction of a cavern under an autobahn embankment for the Ceneri Base Tunnel

Unterquerung eines Autobahndamms durch eine Kaverne beim Ceneri-Basistunnel

DOI: 10.1002/geot.201200014Raffaele Filippini Kalman Kovári Francesco Rossi

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R. Filippini/K. Kovári/F. Rossi · Construction of a cavern under an autobahn embankment for the Ceneri Base Tunnel

non-cohesive lake sediment and a moraine. Further intothe mountainside, the cavern passes into the original rock.The rock is weathered near the surface, so the crown of

stein, in ihrem Sohlbereich die Zwischenschicht einer kohäsionslosen Seeablagerung sowie eine Moräne. Weitergegen Berginnern durchörtert sie den anstehenden Fels.In seinem oberflächennahen Bereich ist der Fels verwit-tert, sodass der Tunnelscheitel erst unter der bergseitigenFahrspur gänzlich in den gesunden Fels zu liegen kommt.

Die Besonderheit der Planung und Ausführung diesesBauwerks bestand darin, trotz der ungünstigen geotechni-schen Verhältnissen, der geringen Überlagerung und dergroßen Abmessungen der Kaverne den Verkehr auf der Autobahn ohne erhebliche Einschränkungen jederzeit zugewährleisten und eine angemessene Sicherheit zu garan-tieren. Es galt somit zum einen die Setzungen an der Fahr-bahn auf ein erlaubtes Maß zu beschränken und zum an-dern die Stabilität des Hohlraums und der Dammschüt-tung als Ganzes zu gewährleisten.

2 Entwurfskonzept

Nach einem eingehenden Variantenstudium schälte sichein Entwurfskonzept gemäß Bild 4 aus, auf dem die ein-

Fig. 1. Cross-section with partial waterproofingBild 1. Das Normalprofil der Kaverne mit Schirmabdich-tung

Fig. 3. Geotechnical situation of the cavern: a) size of profile limited by the interior surface of the concrete lining, b) longitu-dinal geological profileBild 3. Geotechnische Situation bei der Kaverne: a) Begrenzung des Profils durch die Innenkante der Tunnelinnenschale, b) geologisches Längenprofil

Fig. 2. The cuts into the embankmentto start the excavation of the single-track rail tunnel together with the cav-ern (Source: ATG)Bild 2. Die Baugruben zum Tunnelan-schlag für das eingleisige Eisenbahn-tunnel und für die Kaverne unter derAutobahn (Quelle: ATG)

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the tunnel is only completely in competent rock below thelane nearest to the mountain.

The particular challenge of the design and construc-tion of this structure was to maintain traffic on the auto-bahn at all times without any considerable restrictions and ensure a reasonable level of safety despite the un-favourable geotechnical conditions, the shallow cover andthe large dimensions of the cavern. Settlement of the roadalso had to be kept to a permissible degree and the stabili-ty of the cavity and the embankment as a whole had to beguaranteed.

2 Design concept

A detailed study of variants eventually produced the de-sign concept shown in Figure 4, which shows diagrams ofthe individual stages of construction. The scheme essen-tially consists of a classic top heading drive with previous-ly constructed concrete abutments for the excavation sup-

zelnen Schritte der Konstruktion schematisch dargestelltsind. Im Wesentlichen handelt es sich um einen klassi-schen Kalottenvortrieb mit im Voraus erstellten Beton -widerlagern für die Ausbruchsicherung der Kalotte, beste-hend aus einer Spritzbetonschale und eines schrittweiseeingebrachten Gewölbes aus doppelten HDI-Säulen. Wieoben erwähnt steht im Eingangsbereich der Kaverne unterder Sohle Lockergestein an (vgl. Bild 3), weshalb dort dieBetonwiderlager der Kalotte auf einen durch HDI-Säulenhergestellten Fundationskörper gestellt wurden. Auf dieseWeise wird die Belastung des Kalottengewölbes über dieAuflagerkräfte in die Betonwiderlager geleitet und durchdie HDI-Fundationskörper weiter direkt in den festen Fels-untergrund geführt. Ein wesentliches Element des Kon-zepts bildet die Stabilisierung der Ortsbrust der Kalottebzw. deren Versteifung. Es sei hier angemerkt, dass unterdiesen Bedingungen dem Sohlgewölbe praktisch keinestatische Funktion zukommt. Da das Verhältnis zwischenSpannweite zur Überlagerung > 1 ist, wurde als Belastung

Fig. 4. Phases of excavation: a) driving the abutment head-ings (40–60 m2), b) jetting the foundation bodies, c) concret-ing the abutments, d) excavation of the top heading with jetgrout canopy and shotcrete support (110–160 m2), e) benchexcavation to complete profile (140 m2)Bild 4. Bauetappen im Profil: a) Auffahren der Widerlager-stollen (Ausbruchfläche 40–60m2), b) Erstellen der Funda -tionskörper durch HDI-Säulen, c) Einbringen der Beton -widerlager, d) Kalottenvortrieb in Etappen mit HDI-Gewölbeund Spritzbetonschale (Ausbruchfläche 110–160 m2), e) Strossen- und Sohlausbruch (Ausbruchfläche 140 m2)

d)

e)b)

c)

a)

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port of the top heading consisting of a shotcrete layer, anda vault constructed in stages with two layers of jet groutcolumns. As already mentioned, the entry to the cavernhas loose ground below the invert (see Figure 3), so theconcrete abutment for the top heading in this part alsorests on a foundation body of jet grout columns. In thisway, the loading on the vault over the top heading is trans-ferred through the reaction forces into the concrete abutments and then through the jet grout foundation bodiesinto the solid rock. Another essential element of the con-cept is the stabilisation or stiffening of the face of the topheading. It should be noted here that under these conditions, the invert arch has practically no structural function. As the ratio of span to cover is > 1, the full imposedload was considered as acting on the vault of the top heading. This assumption is supported by the fact that with theintended high stiffness of the construction, this magnitudeof loading could prove close to reality. Structural designand detailing were all undertaken according to the clearand understandable assumption that the structure shouldbe designed to resist all actions at every phase of con-struction, both longitudinally and across the section, andconsidering both deformation and structural stability.

3 Structural design of the tunnel

Due to the unusual features of the structure in many re-gards, there were no comparable reference structures torely on, i.e. experience of construction under similar con-ditions. For this reason, the structural analysis of the va-rious temporary construction states was particularly impor-tant. These were performed in close collaboration with Dr.M. Vogelhuber (RSE GmbH). In particular, the followingelements of the load-bearing structure had to be designedand sized:– jet grout foundation bodies,– jet grout canopy over the top heading,– shotcrete vault in the top heading and– face support.

The jet grout canopy was installed starting from the wallof the starting excavation in three stages (9, 12 and 9 m)into the rock. The decisive section for the planar calcu -lation model was chosen in the middle of the secondstage.

3.1 Shotcrete vault in the top heading and surface settle-ments

Although the layout is very three-dimensional due to theacute angle of the centreline of the cavern to the embank-ment and the rock slope, only planar calculation models atright angles to the cavern centreline were developed andcalculated. One model of the elastic bedding of the outerlayer serves to design the shotcrete layer in the top hea-ding and determine its deformations – particularly the set-tlement in the crown. A uniformly distributed vertical loadwas applied in a sector with an opening angle of 120°. Theremaining part of the arch experienced bedding corre-sponding to the assumed modulus of elasticity of the em-bankment fill material. This had a great influence on thebending moments and thus the reinforcement required in

die volle Auflast auf das Kalottengewölbe angesetzt. Fürdiese Annahme spricht noch der Umstand, dass bei der an-gestrebten hohen Steifigkeit der Konstruktion eine solcheLastgröße sich als wirklichkeitsnah erweisen könnte.Nach der Annahme dieses statisch anschaulich und klarnachvollziehbaren Entwurfskonzepts, bei dem das Trag-werk in jeder Bauphase sowohl im Profil als auch inLängsrichtung vom Standpunkt der Verformungen alsauch der Stabilität allen Ansprüchen genügt, ging man andie Statik und die konstruktive Detailbearbeitung.

3 Tunnelstatik

Infolge der in vieler Hinsicht ungewöhnlichen Merkmaledieses Bauvorhabens, konnte man nicht auf Referenzbau-werke, d.h. auf Bauerfahrung unter vergleichbaren Bedin-gungen, zurückgreifen. Aus diesem Grund kam den stati-schen Analysen der unterschiedlichen Bauzustände einegroße Bedeutung zu. Diese wurden in enger Zusammen -arbeit mit Dr. M. Vogelhuber (RSE GmbH) durchgeführt.Es galt insbesondere die folgenden Elemente des Trag-werks zu gestalten und zu bemessen:– HDI-Fundationskörper,– HDI-Gewölbe in der Kalotte,– Spritzbetongewölbe in der Kalotte und– Ortsbrustsicherung.

Das HDI-Gewölbe wurde von der Baugrubenwand ausge-hend in drei Etappen (9, 12 und 9 m) bis in den Fels aus-geführt. Der maßgebende Schnitt für die ebenen Berech-nungsmodelle wurde in der Mitte der zweiten Etappe ge-wählt.

3.1 Spritzbetongewölbe in der Kalotte und Oberflächensetzungen

Obwohl die Anlage infolge des schiefen Winkels der Ka-vernenachse zum Dammkörper und zur Felsböschungstark dreidimensional geprägt ist, wurden nur ebene Be-rechnungsmodelle senkrecht zur Kavernenachse entwor-fen und durchgerechnet. Das eine Modell im Sinne einerelastischen Bettung der Außenschalen diente der Bemes-sung der Spritzbetonschale in der Kalotte und der Ermitt-lung seiner Verformungen – insbesondere der Firstsen-kung. Hierfür wurde eine gleichförmig verteilte vertikaleBelastung des Gewölbes in einem Sektor mit dem Öff-nungswinkel von 120° angesetzt. Der restliche Bogenbe-reich erfuhr eine Bettung entsprechend dem angenomme-nen E-Modul des Materials der Dammschüttung. Dieserhatte großen Einfluss auf die Biegemomente und damitauch auf die erforderliche Bewehrung der Spritzbeton-schale. Zur Kontrolle wurden auf der gleichen Weise auchasymmetrische Lastverteilungen untersucht. Das andereBerechnungsmodell beruhte auf einem geschlossenenKontinuum (Dammkörper, Lockergestein und Fels) imebenen Verformungszustand mit der eingebrachten Spritz-betonschale und HDI-Gewölbe. Bei diesem Ansatz kamender Seitendruckbeiwert und die elastisch-plastischen Ma-terialeigenschaften der Dammschüttung ins Spiel. DerVortrieb wurde hier wie üblich mit der schrittweisen Re-duktion der Knotenkräfte am Ausbruchrand simuliert. Indieser Weise erhielt man auch die Oberflächensetzungen

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the shotcrete layer. As a check, asymmetrical load distrib-utions were also calculated in the same way. The other cal-culation model was based on a closed continuum (em-bankment, loose material and rock) in a planar state of de-formation with the applied layer of shotcrete and jet groutcanopy. This method considered the lateral ground pres-sure coefficient and the elastic-plastic plastic materialproperties of the embankment fill. The tunnel drive herewas simulated as usual by the reduction in steps of thenode forces at the edge of the excavation. In this way, it ispossible to calculate the surface settlements of the car-riageway. The calculation model with the full imposedload delivers the decisive forces and moments for the cal-culation of the shotcrete layer, whose thickness was cho-sen as 0.7 m. The most important results of the extensiveparameter studies that were carried out are summarised inFigure 5, which shows both the geometrical reinforcementcontent of the shotcrete layer and the surface settlementas a function of the various different constructional mea-sures. These are:– case A: only concrete abutment and shotcrete layer,– case B: concrete abutment with narrow foundation bodies,– case C: in addition to case B, double jet grout canopy

over the top heading,– case D: as case C but with wider jet grout foundation

bodies.

As shown by the diagram in Figure 5, the provision of thefoundation bodies consisting of jet grout columns (case B)was of decisive significance for the reduction of surfacesettlement. The jet grout canopy consisting of two layers

an der Fahrbahn. Das Berechnungsmodell mit der vollenAuflast lieferte die maßgebenden Schnittkräfte zur Bemes-sung der Spritzbetonschale, deren Stärke zu 0,7 m gewähltwurde. Die wichtigsten Ergebnisse der durchgeführtenumfangreichen parametrischen Studien sind im Bild 5 zu-sammengefasst. Es handelt sich hier einerseits um dengeometrischen Bewehrungsgehalt der Spritzbetonschaleder Kalotte und andererseits um die Oberflächensetzungin Funktion der diversen konstruktiven Maßnahmen. Essind dies:– Fall A: Nur Betonwiderlager und Spritzbetonschale,– Fall B: Betonwiderlager mit schmalen Fundationskörpern,– Fall C: Zusätzlich zum Fall B doppeltes HDI-Gewölbe

in der Kalotte,– Fall D: Wie Fall C jedoch breitere HDI-Fundations körper.

Wie das Diagramm in Bild 5 zeigt, war die Anordnung desFundationskörpers bestehend aus HDI-Säulen (Fall B) fürdie Verringerung der Oberflächensetzung von ausschlag-gebender Bedeutung. Das HDI-Gewölbe aus einer doppel-ten Säulenreihe konnte die Oberflächensetzung nur in einem bescheidenen Maß reduzieren, da das Verhältnisder Steifigkeit des Spritzbetons gegenüber dem gejettetenLockergestein etwa rund 10:1 beträgt.

Zur Reduktion des Bewehrungsgehalts der Spritz -betonschale trugen alle drei Maßnahmen (Fälle B, C, D)etwa in gleichem Maß bei. Unter Berücksichtigung auchwirtschaftlicher Aspekte gelang die Lösung gemäß demFall C zur Ausführung.

Bezüglich der statischen Wirkungsweise der Innen-schale der Kaverne seien zwei Besonderheiten erwähnt.

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of columns could only reduce the surface settlement to alimited degree, as the ratio of the stiffness of the shotcreteto that of the jetted loose ground was about 10:1.

All three measures (cases B, C, D) contributed to thereduction of the reinforcement content of the shotcretelining to about the same degree. Including the considera-tion of economic aspects, case C was the solution selectedfor construction.

Regarding the structural function of the inner lining ofthe cavern, two peculiarities should be mentioned. On theone hand, the section, as mentioned above, will eventuallyhave a central wall (see Figure 1) and on the other, the twoabutment headings for the top heading excavation supportand the jet grout foundation bodies below them lose theirstructural function. The inner lining has a reinforced invertarch that transfers the arch loading into the loose ground.

3.2 Face stability

Ensuring the stability of the face in the loose material ofthe embankment fill represented one of the most impor-tant requirements placed on the structure during the con-struction phase. The arching effect of the jet grout canopyhad indeed been included in the calculations, but a certainlongitudinal structural action of the individual columnswas also intended. The face was additionally anchoredwith reinforced jet grout columns. Through these, the axi-ally arranged steel anchors provide reliable support alongthe line of the tunnel and the jet grout bodies provideshear resistance in the sliding surfaces of potential failurebodies. The stability calculations were performed accord-ing to the procedure of Anagnostou and Serafeimidis [1].

Zum einen erhielt das Profil – wie oben erwähnt – einemittlere Trennwand (vgl. Bild 1) und zum andern verlorendie beiden Widerlagerstollen der Kalottenaußenschale so-wie die darunter liegenden Fundationskörper aus HDI-Säulen ihre statische Funktion. Die Innenschale weist einbewehrtes Sohlgewölbe auf, das die Gewölbebelastung aufden anstehenden Lockergestein übertrug.

3.2 Ortsbruststabilität

Die Gewährleistung der Stabilität der Ortsbrust im Lo-ckergestein der Dammschüttung stellte eine der wichtigs-ten Forderungen an das Tragwerk während der Bauaus-führung dar. Man hat zwar mit der Bogenwirkung desHDI-Gewölbes gerechnet, wollte sich jedoch auch auf ei-ne gewisse Längstragwirkung der einzelnen Säulen verlas-sen. Die Ortsbrustankerung erfolgte durch bewehrte HDI-Säulen. Hierdurch bewirken die axial angeordneten Stahl -anker eine verlässliche Stützung in Tunnellängsrichtungund die HDI-Körper einen Scherwiderstand in den Gleit-flächen potenzieller Bruchkörper. Die Stabilitätsberech-nungen wurden nach dem Verfahren von Anagnostou undSerafeimidis [1] durchgeführt. Es beruht auf der Formulie-rung der Bedingungen des Grenzgleichgewichts gleitge-fährdeter Keile aus der Ortsbrust. So wurden solche Keilemit unterschiedlicher Höhe und potenziellem Gleitwinkeluntersucht und für eine gegebene Anordnung der Orts-brustankerung die kritischen Fälle ermittelt. Es wurde einSicherheitsfaktor von > 2,5 eingehalten. Von besondererBedeutung war die angenommene Scherfestigkeit zwi-schen HDI-Säule und dem umgebenden Lockergestein.Da die Baugrube ausschließlich durch passive Stahlanker(∅ = 40 mm) der Länge von 18 m und einem Raster von1,5 m × 1,5 m gesichert war, dienten diese zugleich auchals Ortsbrustsicherung der ersten Jettingetappe. In derzweiten Jettingetappe wurden zusätzlich 32 zentrisch be-wehrte HDI-Säulen eingebracht. Eine hohe Dichte der Si-cherungselemente war schon aus dem Grund angestrebt,da man das zumindest lokale Vorkommen gänzlich kohä-sionslosem Material nicht ausschließen konnte. Das Aus-fließen von Material in praktisch relevanten Umfang zwi-schen Ortsbrustsäulen musste aus Gründen der Sicherheitausgeschlossen werden.

4 Bauausführung

Der fachgerechten Ausführung der Arbeiten gemäß denVorgaben des Projekts wurde angesichts der strengen Kri-terien bezüglich Oberflächensetzungen große Aufmerk-samkeit geschenkt.

4.1 Ausbruch und Ausbruchsicherung

Nach dem Aushub der zwei Baugruben wurde als erstesder eingleisige Bahntunnel Bretella Lugano-Bellinzona(vgl. Bild 2) im Vollausbruch und unter Schutz eines vo-rauseilenden HDI-Gewölbes aufgefahren. Die Konstruk -tion der Kaverne wurde mit dem Auffahren der beiden Widerlagerstollen (Bild 6a) in der gleichen Weise wie dereingleisige Bahntunnel in Angriff genommen. In diesenStollen erfolgte die Ausführung der Fundationskörper mit-tels HDI-Säulen bis zum gewachsenen Fels. Nach dem

Fig. 5. Influence of the various construction measures onthe reinforcement area and the surface settlementBild 5. Kaverne Ost – Einfluss diverser Maßnahmen aufdas Bewehrungsgehalt (Bruchkörpermodell) und auf dieOberflächensetzungen (Kontinuumsmodell)

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This is based on the formulation of the conditions of thelimit state equilibrium of wedges at danger of sliding out ofthe face. Such wedges with various heights and potentialsliding angles were investigated and the critical cases weredetermined for a given arrangement of the face anchoring.A safety factor of > 2.5 was maintained. Of particular sig-nificance was the assumed shear strength between the jetgrout columns and the surrounding loose ground. As thestarting excavation had been secured solely by passivesteel anchors (∅ = 40 mm) with a length of 18 m and a gridpattern of 1.5 m × 1.5 m, these also served to support theface of the first stage of jet grouting. A high density of sup-port elements was intended, if only for the reason that thelocalised occurrence of completely non-cohesive materialcould not be ruled out completely and could lead to ma-terial flowing out between the columns in the face, andthis had to be ruled out for safety reasons.

4 Construction

In consideration of the stringent surface settlement crite-ria, great attention was paid to the technically correct con-struction of the works in accordance with the projectspecifications.

4.1 Excavation and excavation support

After the excavation of the two starting excavations, firstthe single-track rail tunnel Bretella Lugano-Bellinzona

Einbringen der Betonwiderlager konnte der eigentlicheKalottenvortrieb mit der Herstellung der ersten Etappedes Kalottengewölbes aus doppelten HDI-Säulen in An-griff genommen werden (Bild 7).

Der Ausbruch der Kalotte (Bild 6b) wurde mit Ab-schlagslängen von 1 m durchgeführt. Angesichts der unge-wöhnlich großen Stärke des Spritzbetongewölbes von0,7 m wurde die Bewehrung in Form von vorgefertigtenViergurt Gitterträgern angeliefert, die dann in drei Seg-menten biegesteif vor Ort zusammengesetzt wurden. ImÜbergangsbereich, wo das Kalottengewölbe in schiefemWinkel auf den verwitterten Fels traf, wurden Teile desHDI-Gewölbes durch einen Rohrschirm abgelöst. Ähnlichverfuhr man mit der Sicherung der Ortsbrust, indem dortzur Stabilisierung statt HDI-Säulen passive Stahlankerzum Einsatz kamen. Sobald das Profil gänzlich in den Felszu liegen kam, konnte auf alle Bauhilfsmaßnahmen ver-zichtet werden.

Beim anschließenden Strossen-/Sohlausbruch (Bild 6c)handelte es sich um einen reinen Materialaushub ohne irgendwelchen Einfluss auf das Kräftespiel und Deformatio-nen, da die Lasten über den Betonwiderlagern und ihrenFundationskörpern ohne Beteiligung des Sohlgewölbes di-rekt in den anstehenden Felsen geleitet wurden.

4.2 Ausführung der HDI-Arbeiten

Zur Begrenzung der Oberflächensetzungen und der Ge-währleistung der Sicherheit gegen Verbruch oder Instabili-

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(see Figure 2) was driven with full-face excavation underthe protection of an advance jet grout canopy. The con-struction of the cavern then started with the driving of thetwo abutment headings (Figure 6a) in the same way as thesingle-track tunnel. In these headings, the foundation bod-ies were installed, consisting of jet grout columns down tothe undisturbed rock. After the completion of the concreteabutments, the cavern top heading could be started withthe installation of the first stage of canopy over the topheading of double jet grout columns (Figure 7). The excavation of the top heading (Figure 6b) was per-formed with round lengths of 1 m. regarding the exception-ally thick shotcrete vault of 0.7 m, the reinforcement was de-livered in the form of prefabricated four-chord lattice beams,which were assembled on site in three segments with jointscapable of resisting bending. In the transition zone wherethe vault of the top heading meets the weathered rock at anacute angle, parts of the jet grout canopy were replaced witha pipe canopy. The support of the face was similar, with pas-sive steel anchors being used instead of jet grout columns. Assoon as the section was fully inside the rock, all auxiliaryconstruction measures could be omitted. The subsequent excavation of the bench/invert (Fig-ure 6c) was a simple matter of removing material withoutany particular influence on the forces and deformations,as the forces were already being transferred directly intothe undisturbed rock through the concrete abutmentswithout any contribution from the invert arch.

4.2 Performance of the jet grouting works

In order to limit surface settlement and to ensure safetyagainst collapse or instability of the slopes of the embank-ment, the ground improvement provided by the jet groutcolumns was highly significant. Particularly challengingwas production of the advance top heading canopy con-sisting of two rows of columns. These had to be producedwithout causing impermissible heaving or settlement ofthe carriageway. Stringent requirements were specified forthe column diameter (∅ = 600 mm), the minimumstrength of the columns (sc = 5 MPa) and the directionalprecision of the drilling (± 0.5%). Due to the experiencewith the driving of the two abutment headings for the cav-ern, it was decided to call on the assistance of an expertfor jet grouting (R.D. Essler, U.K.) for the subsequentworks. Concerning the sequence of installation of the in-dividual columns, which were placed at a spacing of45 cm. the following rules had to be considered:– Completion of the outer rows of columns before the jetting of the inner rows could start.– The start of jetting a new column in the vicinity of a re-

cently completed column was associated with conditionsregarding timing and location. A minimum time of 3 hoursand a minimum spacing of 1.35 m had to be observed. Thedrilling scheme therefore had to leave two gaps.

– A column immediately next to an existing column couldonly be started 24 hours after the completion of the first.

– The grouting was performed in one phase with two3 mm valves and a grouting pressure of 400 bar at thepump. With a water/cement ratio of 1:1 this gave an av-erage cement quantity of 225 kg/m. The ideal value forthe injection time was 3.7 s followed by withdrawing

tät der Dammböschung kam der Bodenverfestigung mittelsHDI-Säulen große Bedeutung zu. Besondere Ansprüchestellte die Erstellung des vorauseilenden Kalotten gewölbesbestehend aus zwei Reihen von Säulen. Man musste diesein der Weise erfüllen, dass an der Fahrbahnoberfläche we-der unzulässige Hebungen noch Setzungen stattfinden wür-

Fig. 6. Excavation sequence: a) driving the abutment head-ings, b) excavation of the top heading, c) bench excavationBild 6. Ausbruchsetappen: a) Ausbruch Paramentstollen(links Jettingarbeit), b) Kalottenausbruch (1° Etappe), c) Strossen- und Sohlausbruch

a)

b)

c)

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40 mm. The inclination of the drillings to the horizontalwas chosen in the range 0 to 9°. Methodically per-formed quality control showed uniaxial compressionstrengths between 5 and 14.4 MPa with an average valueof 8.4 MPa, which exceeded the specification.

The responsibility for the selection of jetting parametersand the procedure for the performance of the jettingworks of course belonged to the contractor. Daily meet-ings with the participation of the agent of the contractor,the site management and the consultant served to evalu-ate the experience of the work performed the previous dayand discuss any changes to the procedure. From the nu-merous factors, which contributed to the successful com-pletion of these works, the significance of the decisionwhere to change from the drilling phase to the jettingphase should be mentioned, particularly to avoid washingout the soil at the start of jetting. Also important were theearly withdrawal of the rod and to avoid insufficient clos-ing of the holes, so that partial emptying of the hole couldbe avoided. Thanks to the stringent control of the returnflow, it proved possible to completely avoid heaving in theembankment and of the carriageway, despite the intensivejetting work and the thin cover. The great success of theoptimised jet grouting works is also shown by the magni-tude of the surface settlement. The driving of the abut-ment headings with relatively small excavation cross-sec-tions (40 to 60 m2) and with greater cover (about 16 m)caused a maximum settlement of the outer edge of the em-bankment of 60 mm. The excavation of the top heading(average 280 m2 with a cover of 12 m) only caused an ad-ditional 30 mm of settlement. As expected, the excavationof the bench/invert only led to slight settlement (5 mm).The longitudinal and transverse gradients of the troughwere always within tolerance.

Perhaps the time required for the performance of twodecisive activities in the second 18 m long stage of jetgrouting should be mentioned:– Installation of about 30 reinforced columns into the

face and about 110 columns for the double jet groutcanopy with a total length of 2,650 m of columns: 19working days, using two jet grouting rigs.

– Excavation of a round length (1 m) including bringingup the reinforced shotcrete layer: 1 working day.

den. Es waren hohe Anforderungen an den Säulendurch-messer (∅ = 600 mm), an die Mindestfestigkeit der Säulen(sc = 5 MPa) und an die Richtungsgenauigkeit der Bohrun-gen (± 0.5%) gestellt. Aufgrund der Erfahrungen beim Auf-fahren der beiden Widerlagerstollen der Kaverne, hat manbeschlossen, für die nachfolgenden Arbeiten in der Kalotteeinen Experten für Jet-Grouting (R.D. Essler, U.K.) beizuzie-hen. Bezüglich der Reihenfolge der Ausführung der einzel-nen Kolonnen, die mit einem Abstand von 45 cm angeord-net waren, war Folgendes zu beachten:– Fertigstellung der äußeren Kolonnenreihe, bevor das Jet-

ting der inneren Reihe begonnen wurde.– Der Beginn des Jettings einer neuen Kolonne in der

Umgebung einer kürzlich fertig gestellten Kolonne waran zeitliche und räumliche Bedingungen geknüpft. Somusste eine Mindestzeit von 3 Stunden und ein Min-destabstand von 1,35 m eingehalten werden. Es wurdensomit im Bohrschema jeweils zwei Lücken belassen.

– Eine an eine bestehende Kolonne unmittelbar anliegen-de Säule durfte erst nach 24 Stunden der Fertigstellungder ersteren begonnen werden.

Das Injektionssystem war einphasig mit zwei Ventilen à3 mm und der Injektionsdruck an der Pumpe mit 400 bargewählt. Mit einem Wasser-Zementfaktor von 1:1 ergabsich eine durchschnittliche Zementmenge von 225 kg/m.Als günstigster Wert der Injektionszeit ergab sich 3,7 s mitdem anschließenden Rückzug von 40 mm. Die Neigungder Bohrungen zum Horizontalen war im Bereich 0 bis 9°gewählt. Die methodisch durchgeführte Qualitätskontrol-le zeigte einachsige Druckfestigkeiten im Bereich zwi-schen 5 bis 14,4 MPa mit einem Mittelwert von 8,4 MPa,was die Projektvorgaben übertraf.

Die Verantwortung für die Wahl der Jettingparameterund für die Vorgehensweise bei der Ausführung der Jet-tingarbeiten lag selbstredend bei der Unternehmung. Dietäglich stattfindenden Besprechungen unter Beteiligungder Vertreter der Unternehmung, der Bauleitung und desProjektverfassers dienten zur Auswertung der Erfahrungder am Vortag geleisteten Arbeiten und zu allfälligen An-passungen der Vorgehensweise. Von den zahlreichen Fak-toren, die zu einer erfolgreichen Abwicklung dieser um-fangreichen Arbeiten beitrugen, sei hier die Bedeutung derWahl des Übergangs von der Bohrungsphase zur Phase

Fig. 7. Advance in longitudinal sectionBild 7. Ausbruchetappen in Längs -richtung

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5 Risk management, deformation measurement

Considering the great international and regional signifi-cance of maintaining unhindered traffic flow on the auto-bahn above the works, risk management was essential. Thiswas based on three elements: quality control of the worksperformed, deformation measurements of the structure andthe closing of the lane, below which the tunnel drive was inprogress. The speed of vehicles was limited to 80 km/h.

6 Conclusions

A clear and simple structural design concept based on atop heading drive with abutment headings for the feet ofthe top heading and extensive ground improvement mea-sures enabled the construction of a stiff structure withhigh load-bearing capacity. The structural calculations forthe tunnel at various different temporary phases, includingthe consideration of diverse additional measures, were es-sential for the design of the structure and the estimation ofsurface settlement.Thanks to methodical quality control during the con-struction of the large number of jet grout columns, the set-tlements at the surface were restricted to the magnitudeexpected from the structural calculations. There was nev-er any sign during the construction works that the ser-viceability of the autobahn was threatened, even for ashort time. The inner lining of the cavern will be installedon schedule between the middle of 2012 and the end of2013.

References

[1] Anagnostou, G., Serafeimidis, K.: The dimensioning of thetunnel face reinforcement. ITA World Tunnel Congress,Prague (2007), S. 291–296.

der Düsenstrahlbehandlung erwähnt. Hierbei war insbe-sondere beim Beginn des Jettings eine Auswaschung desBodens zu vermeiden. Ebenso war es wichtig einen früh-zeitigen Rückzug des Gestänges und eine ungenügendeSchließung der Bohrungen zu vermeiden, damit eine teil-weise Entleerung der Bohrung verhindert wird. Dank derstrengen Kontrolle des Rückflusses konnten Hebungen imDammkörper und auf der Fahrbahn trotz der intensivenJettingarbeit und der geringen Überlagerung gänzlich ver-mieden werden. Den großen Erfolg der optimierten HDI-Arbeiten belegen die Beträge der Oberflächensetzungen.Das Auffahren der Widerlagerstollen mit verhältnismäßigkleinen Ausbruchflächen (40 bis 60 m2) und bei größererÜberlagerung (rund 16 m) hat eine maximale Setzung ander Außenkante des Dammkörpers von 60 mm verursacht.Der Ausbruch der Kalotte (im Mittel 280 m2 bei einerÜberlagerung von 12 m) hat zusätzlich lediglich noch30 mm Setzung verursacht. Wie erwartet, hat der Aus-bruch der Sohle/Strosse zu geringen Setzungen (5 mm)geführt. Die Längs- und Quermuldenneigung blieben stetsin tolerierbaren Grenzen.

Was die Leistungen anbetrifft, so sei hier der Zeitbe-darf für die beiden entscheidenden Aktivitäten in der zwei-ten Jettingetappe mit 18 m Länge erwähnt:– Einbringen der rund 30 bewehrten Säulen in die Orts-

brust und die rund 110 Säulen für das doppelte HDI-Ge-wölbe mit insgesamt 2.650 m Säulenlänge: 19 Arbeits -tage. Für die Ausführung der Arbeiten standen zweiHDI-Geräte zur Verfügung.

– Ausbruch einer Abschlagslänge (1 m) mit Nachziehender bewehrten Spritzbetonschale: 1 Arbeitstag

5 Risikomanagement, Deformationsmessungen

Angesichts der großen internationalen und regionalen Be-deutung der Aufrechterhaltung eines unbehinderten Ver-

Client AlpTransit San Gottardo SA, Bellinzona

Consultants Consorzio Ingegneri Piano di Magadino,Biasca– Project management: Filippini &

Partner Ingegneria SA, Biasca– Design: G. Dazio & Associati SA,

Cadenazzo– Design concept: Prof. Dr. K. Kovári,

Oberengstringen– Structural design, construction

states: Prof. Dr. K. Kovári, RSE GmbH, Oberengstringen

– Consultant, Jet-Grouting: RD GeotechLtd – Dr. R. Essler, Skipton (UK)

Site management Consorzio ITC (ITECSA – Toscano),Lugano

Contractor, Consorzio Matro Sud:Weinberg Tunnel – Pizzarotti SA

– Implenia SA– Cossi SA– Rodio SA– Ennio Ferrari SA– LGV SA

Bauherr AlpTransit San Gottardo SA, Bellinzona

Projektierung Consorzio Ingegneri Piano di Magadino,Biasca– Projektleiter: Filippini & Partner

Ingegneria SA, Biasca– Projektverfasser: G. Dazio &

Associati SA, Cadenazzo– Entwurfskonzept: Prof. Dr.

K. Kovári, Oberengstringen– Statik Bauzustand: Prof. Dr.

K. Kovári, RSE GmbH, Oberengstringen

– Beratung Jet-Grouting: RD Geotech Ltd – Dr. R. Essler, Skipton (UK)

Örtliche Bauleitung Consorzio ITC (ITECSA – Toscano),Lugano

Bauausführung Consorzio Matro Sud:Weinbergtunnel – Pizzarotti SA

– Implenia SA– Cossi SA– Rodio SA– Ennio Ferrari SA– LGV SA

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Dipl.-Ing. Francesco RossiConsorzio Ingegneri Piano di Magadinoc/o G. Dazio & Associati SAvia Prati Grandi 256593 [email protected]

Dipl.-Ing. Raffaele FilippiniConsorzio Ingegneri Piano di Magadinoc/o Filippini & Partner Ingegneria SAvia Iragna 116710 [email protected]

Prof. Dr. Kalman KováriBeratender IngenieurFabrikstraße 48102 [email protected]

kehrsflusses auf der durch die Bauarbeiten tangierten Au-tobahn erfuhr das Risikomanagement hohe Bedeutung. Esstützte sich auf die drei Elemente: Qualitätskontrolle derausgeführten Arbeiten, Deformationsmessungen am Bau-werk und jeweilige Sperrung jener Fahrspur unter der sichder Vortrieb gerade im Gange war. Die Geschwindigkeitder Fahrzeuge war auf 80 km/Stunde beschränkt.

6 Schlussbemerkungen

Dank einem klar überschaubaren statischen Entwurfskon-zept auf der Grundlage eines Kalottenvortriebs mit derAnwendung von Widerlagerstollen für die Kalottenfüßeund umfangreichen Bodenverfestigung wurde eine steifeStruktur hoher Tragfähigkeit realisiert. Die tunnelstati-schen Berechnungen für die unterschiedlichen Bauphasenund unter Berücksichtigung diverser Zusatzmaßnahmenwaren für die Bemessung des Tragwerks und für die Ab-schätzung der Oberflächensetzungen unerlässlich.

Dank der methodischen Qualitätskontrolle währendder Ausführung der großen Zahl der HDI-Säulen wurdendie Oberflächensetzungen auf ein Maß beschränkt, dasman aufgrund der statischen Berechnungen erwartendurfte. Es gab während der Bauausführung zu keinemZeitpunkt ein Anzeichen, das die Gebrauchstauglichkeitder Autobahn hätte auch nur für kurze Zeit beeinträchti-gen können. Die Innenschale der Kaverne wird gemäßBauprogramm zwischen Mitte 2012 und Ende 2013 einge-bracht.

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2 Geomechanics and ISSN 1865-7362 185 Geomechanik · PDF file2 April 2012, p. 175–185...

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