Quality control and geotechnical monitoring of SCL in urban areas in the UK - case history Crossrail...

519© 2013 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 5

The Crossrail project in London, currently the largest infrastruc-ture project in Europe, has shifted the quality control and geo -technical monitoring of SCL tunnelling to the next level. Based on the absolute priority of health and safety the chain of controlspans from contract form and design to procedures and reviewpanels on the construction site where the management, monitor-ing and review of significant quantities of data is a demandingtask.

1 Project overview

The Crossrail project in London with an overall projectvalue of about UK£16 billion is currently the largest infra-structure project in Europe. It includes the construction ofa 118 km long regional commuter railway line, which willlink the surroundings to the west (Maidenhead) and east(Shenfield) of the capital with Central London. Further-more, it will improve the connections to Heathrow andCanary Wharf.

The core piece of the project is the 2 × 21 km longtunnel route crossing Central London with eight under-ground stations five of which are built using the SprayedConcrete Lining (SCL) Method.

Contract C510 comprises the construction of twoSCL stations, Liverpool Street and Whitechapel, awardedfor UK£240M to the BBMV Joint Venture, formed by Balfour Beatty (UK), ALPINE BeMo Tunnelling (AUT),MorganSindall (UK) and Vinci Grand Projects (FRA).

1.1 The client and form of contract

The client Crossrail Ltd (CRL) owned by Transport forLondon and the Department for Transport was foundedin 2001 to develop and build the new transport link. TheBritish target price contract form of the New EngineeringContract (NEC) – Option C has been applied for executingthe main tunnel and station contracts such as C510.

With the NEC option C model, the contractor sub-mits a target price for the works upon which the works are

Das Projekt Crossrail in London, das derzeit größte Infrastruktur-projekt Europas, hat die Standards der Qualitätsüberwachungund des geotechnischen Monitorings bei der Anwendung derSpritzbetonweise (SCL) auf die nächste Ebene gehoben. Bedingtdurch die absolute Priorität von Arbeitssicherheit, erstreckt sichdie Spanne der Überwachungsmaßnahmen von der Vertragsformüber die Bauplanung bis hin zur Bauausführung und den Kontroll-gremien auf der Baustelle, wo die Verarbeitung, Überwachungund Kontrolle erheblicher Messdatenmengen eine anspruchs -volle Aufgabe darstellen.

1 Projektübersicht

Das Projekt Crossrail in London mit einem Gesamtpro-jektwert von ca. 16 Mrd. UK£ ist das derzeit größte Infra-strukturprojekt Europas. Es beinhaltet den Bau einer118 km langen Schnellbahnlinie (Commuter railway line),welche das Umland im Westen (Maidenhead) und Osten(Shenfield) der Hauptstadt mit Central London verbindenwird. Darüber hinaus werden die Verbindungen zum Flug-hafen Heathrow und nach Canary Wharf verbessert.

Das Herzstück des Projektes ist die Unterfahrung derLondoner Innenstadt. Rund 42 km Streckentunnel sowie8 unterirdische Stationen, davon 5 in bergmännischerBauweise, sind zu diesem Zweck herzustellen. Das BaulosC510 umfasst den Bau zweier Stationen in Spritzbeton-bauweise, Liverpool Street und Whitechapel, und wurdefür UK£ 240 Mio. an das BBMV Joint Venture, bestehendaus Balfour Beatty (UK), ALPINE BeMo Tunnelling(ABT), MorganSindall (UK) und Vinci Grand Projects(FR), vergeben.

1.1 Auftraggeber und Vertragsform

Der Auftraggeber Crossrail Ltd (CRL) ist im Besitz vonTransport for London und dem britischen Verkehrsminis-terium und wurde 2001 eigens für die Planung und denBau der neuen Verkehrsverbindung gegründet. Die briti-sche Zielpreis Vertragsform New Engineering Contract

Topics

Quality control and geotechnical monitoring of SCL in urban areas in the UK – case history Crossrail contract C510

Qualitätsüberwachung und geotechnischesMonitoring bei Anwendung der Spritzbetonbauweise(SCL) in innerstädtischen Bereichen in Großbritannien– Fallbeispiel Crossrail Los C510

DOI: 10.1002/geot.201300043Martin FischerAlfred StärkChris Evans

520 Geomechanics and Tunnelling 6 (2013), No. 5

M. Fischer/A. Stärk/Ch. Evans · Quality control and geotechnical monitoring of SCL in urban areas in the UK – case history Crossrail contract C510

awarded. During the contract period the target price mayvary with changes in the works information (Compensa-tion Events). In parallel during the construction phase thecosts are initially paid as actual costs plus a fee and at theend of the project are balanced against the target price.

The difference between the actual costs and the targetprice (pain or gain) is shared between client and contrac-tor in an agreed split. This contract form incentivises bothparties to collaborate in an open manner and also encour-ages both to minimise the actual costs and pro activelymanage risks.

1.2 The two stations

Both stations, Liverpool Street and Whitechapel, are em-bedded in the urban environment of Central London andneed several mitigation measures for the protection of theexisting buildings and structures in the vicinity.

The 50 m × 20 m large construction site inWhitechapel, a former supermarket car park, is surround-ed by residential buildings. To allow 24 h/7 d tunnellingactivities, the whole construction site has been coveredwith an acoustic shed to maintain the tunnelling worksduring nights and at weekends with a maximum noise lev-el of 50 dB (Fig. 1). The shed is sized to accommodate theexcavated spoil and shotcrete materials for a full week-end’s production thus minimising road movements duringthis period.

Both station tunnels are built in close proximity to,and beneath, existing assets. Fig. 2 gives an overview ofLiverpool Street Station. In addition to the listed heritagebuildings on the surface the underground is congestedwith the heavy frequented Northern Line and Met & Cir-cle Line underground metro tunnels, the old Post Office

(NEC) – Option C fand Anwendung für die Ausführungder Tunnel- und Stationsbaulose wie C510.

Im Rahmen der NEC Option C übermittelt der Bieterzunächst einen Zielpreis auf dessen Grundlage die Arbei-ten vergeben werden. Während der Bauausführung kannsich der Zielpreis aufgrund von vereinbarten Mehr- undMinderkostenforderungen verändern. Parallel dazu wer-den während der Bauphase die laufenden Kosten zu-nächst als tatsächliche Kosten zzgl. eines Gesamtzuschla-ges für Geschäftsgemeinkosten und Wagnis/Gewinn be -glichen und am Ende des Projektes gegen den Zielpreisaufgewogen.

Die Differenz zwischen Zielpreis und tatsächlichenKosten (Verlust oder Gewinn) wird zwischen Auftragneh-mer und Auftraggeber in einem vereinbarten Prozentsatzaufgeteilt. Diese Vertragsform schafft bei beiden Vertrags-parteien den Anreiz, in offener Weise zusammen zu arbei-ten und unterstützt beide darin, die tatsächlichen Kostenzu minimieren und aktiv mit Risiken umzugehen.

1.2 Die zwei Stationen

Beide Stationen, Liverpool Street und Whitechapel, befin-den sich im innerstädtischen Bereich Central Londonsund bedürfen daher verschiedenster Maßnahmen zumSchutz der Bestandsbebauung und -strukturen im nahenUmfeld der Baumaßnahme.

Die rund 50 m × 20 m große Baustelleneinrichtungs -fläche an der Whitechapel Station, ein ehemaliger Super-markt-Parkplatz, ist umgeben von Wohnbebauung. UmVortriebsarbeiten an 24 Stunden, sieben Tage die Wochezu ermöglichen, wurde der gesamte Baustellenbereich miteiner akustischen Einhausung versehen, die die Aufrecht-erhaltung der kontinuierlichen Tunnelbauarbeiten sowohl

Fig. 1. “In-door tunnelling” in Whitechapel – acoustic shed to protect the environment (Photos: BBMV)Bild 1. „Indoor“ Tunnelbau in Whitechapel – akustische Einhausung zum Umgebungsschutz (Fotos: BBMV)

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Tunnel and – not shown in Fig. 2 – water mains, tunnel-size sewers, and the abandoned Queen Victoria Tunnel.

At either end of the stations access for passengers willbe provided by shafts (Moorgate and Broadgate TicketHalls) which are constructed under different contracts.The maze in-between, i.e. platform and concourse tunnels,cross passages, inclined escalator tunnels, and connectingtunnels to existing lines is part of C510’s scope of work.Access for tunnelling works is via the temporary FinsburyCircus Shaft.

2 Control of SCL in urban areas in the UK2.1 Target Zero – a state of mind

Health and Safety is given absolute priority. Crossrail andall its partners involved in the construction of Crossrailare fully committed to delivering exemplary levels ofHealth, Safety and Environmental performance. The prin-ciples are formulated in the Target Zero plan which acts asan overarching mindset to be applied to the SCL designand tunnel construction [1]. Target Zero means that thetarget is for nobody to be harmed while working on thisproject.

On Contract C510 several design and constructionprinciples have been developed and implemented to en-sure BBMV’s Target Zero commitment. In the CentralLondon environment this requires a high level of controlover a method which is flexible by nature.

2.2 Lasershell – design for safety

The Lasershell [2] excavation and support method devel-oped by MorganSindall and Alpine Bemo Tunnelling inthe early 2000’s for Heathrow’s T5 SCL tunnelling pro-jects, is still one of the core pieces of BBMV’s design forsafety.

The main principle of the Lasershell is an inclined,domed excavation face. This eliminates the risk of expos-ing miners to unsupported ground as it provides a safe ac-cess for invert and joint preparation before applying the

nachts als auch Wochenende mit einem maximalenSchallpegel von 50 dB gewährleistet (Bild 1). Dabei ist dieEinhausung so dimensioniert, dass sie den abgebauten Abraum sowie Material für die Spritzbetonherstellung füreine volle Wochenendperiode fassen kann und dadurch eine Minimierung des Baustellenverkehrs während dieserZeitspanne erzielt.

Beide Stationstunnel werden in direkter Nachbar-schaft sowie unterhalb vorhandener Bestandsbebauungaufgefahren. Bild 2 gibt einen Überblick über die Liver-pool Street Station. Zusätzlich zu den denkmalgeschütz-ten Gebäuden an der Oberfläche, befinden sich im Unter-grund die stark frequentierten U-Bahn-Tunnel der Nor -thern Line und Met & Circle Line, der alte Posttunnel so-wie nicht auf dem Bild aufgeführte Hauptwasserleitungen,tunnelgroße Abwasserkanäle sowie der stillgelegte QueenVictoria Tunnel.

An beiden Enden der Stationen werden Passagierzu-und ausgänge in Form von Schachtanlagen (Moorgateund Broadgate Schalterhalle) hergestellt, die jedoch ande-ren Baulosen zugeordnet sind. Das Labyrinth dazwischen,d. h. die Bahnsteige und Zugangstunnel, Querstollen, ge-neigten Rolltreppenschächte und Verbindungstunnel zuden bestehenden Linien, ist Teil der Arbeiten am LosC510. Der Zugang zu den Tunnelarbeiten ist über den tem-porären Zugangsschacht am Finsbury Circus gegeben.

2 Überwachung der Spritzbetonbauweise (SCL) in innerstädtischen Bereichen Großbritanniens

2.1 Target Zero – eine Grundeinstellung

Der Wahrung von Gesundheit und Sicherheit der Mitar-beiter hat oberste Priorität. Der Bauherr Crossrail und alleam Bau des Projekts beteiligten Partner haben sich gänz-lich der Erbringung einer vorbildlichen Leistung bezüglichGesundheit, Sicherheit und Umweltschutz verpflichtet.Diese Grundsätze sind im Target Zero Plan formuliert,welcher als Leitlinie projektübergreifend sowohl bei derPlanung als auch bei der Ausführung zur Anwendungkommt [1]. Target Zero bedeutet, dass es erklärtes Ziel ist,

Fig. 2. Overview on Liverpool StreetStation with existing structures (Graphic: CRL)Bild 2. Überblick über die LiverpoolStreet Station mit Bestandsstrukturen(Grafik: CRL)



structural SCL lining. The inclined and domed face inconjunction with speed of advance and improved ring clo-sure times significantly improves face stability and thus re-duces surface settlement.

The inclination of the tunnel face requires the re-placement of lattice girders and steel mesh with steel fibrereinforced concrete (SFR). This on one hand improves thequality and durability of sprayed concrete linings by elimi-nating shadowing; on the other hand it requires an effi-cient real-time profile monitoring system: the Tunnel-beamer [2]. For C510 further hardware improvements havebeen implemented to those adopted previously.

The updated Tunnelbeamer system basically consistsof a laser theodolite which is remote controlled via radioto a portable tablet PC with joystick. The newly developedremote control feature enables the beamer operator to po-sition himself in a safe location away from the laser and al-so improves communication between nozzleman andbeamer operator during the spraying operation (Fig. 3).

2.3 SCL observation and review process – control for safety2.3.1 SCL Quality Control

The SCL quality control system applied on C510 providesclose control over the temporary and permanent stages ofconstruction. A rigorous test regime is key when attempt-ing to standardise a flexible observational method such asSCL/NATM.

Table 1 compares the frequency of common qualitycontrol between Crossrail C510 and the recommendationsof the Austrian Guideline Sprayed Concrete [3]. This in-

dass niemand während der Arbeiten am Projekt zu Scha-den kommt.

Für das Baulos C510 wurden Optimierungen in derPlanung und Ausführung entwickelt und umgesetzt, umder Target Zero Verpflichtung von BBMV nachzukom-men. Besonders im innerstädtischen Bereich Londons er-fordert dies auch ein hohes Maß an Überwachung einervon Natur aus flexiblen Methode: SCL/NÖT.

2.2 LaserShell – Sicherheitsrelevante Planung

Die von Morgan Sindall und Alpine BeMo Tunnelling An-fang der 2000er-Jahre für Spritzbetontunnel am FlughafenHeathrow T5 entwickelte LaserShell Vortriebsmethode istbis heute eines der Kernstücke der sicherheitstechnischenPlanung von BBMV.

Hauptmerkmal der LaserShell ist die geneigte und ge-wölbte Ortsbrust. Hierdurch wird gewährleistet, dass dieMineure bei händischen Arbeiten im unmittelbaren Vor-triebsbereich aufgrund der vorauseilenden Firstsicherungnie ungesichertem Baugrund ausgesetzt werden. Die ge-neigte und gewölbte Ortsbrust, zusammen mit der erhöh-ten Vortriebsgeschwindigkeit und verbesserten Ring-schlusszeiten, vergrößert auch die Ortsbruststabilität undreduziert dadurch Oberflächensetzungen.

Die Neigung der Ortsbrust erfordert den Ersatz vonGitterträgern und Stahlmatten mit stahlfaserverstärktemSpritzbeton. Einerseits verbessert dies die Qualität undDauerhaftigkeit der Spritzbetonschale durch die Vermei-dung von Spritzschatten. Andererseits erfordert es denEinsatz eines effizienten Echtzeit-Profil-Monitorings: desTunnelbeamers [2]. Für das Los C510 wurden spezielle Weiterentwicklungen an der Hardware vorangetrieben,die einer erhöhten Arbeitssicherheit zugute kommen.

Das überarbeitete TunnelBeamer-System besteht imWesentlichen aus einem Theodoliten, welcher per Funkvon einem tragbaren Tablet-PC mit Joystick aus fernge-steuert wird. Das neu entwickelte Fernsteuerungssystemermöglicht es, das Gerät ortsbrustnah und in geeigneterHöhe zu montieren und von einer sicheren Position aus zubedienen. Der geräteunabhängige Standort des Bedienersverbessert auf diese Weise auch die Kommunikation mitdem Düsenführer während des Spritzvorgangs (Bild 3).

2.3 Überwachung der Spritzbetonbauweise und Prüfprozesse – Sicherheitsrelevante Überwachung

2.3.1 Qualitätsüberwachung

Die Qualitätsüberwachung der Spritzbetonarbeiten imLos C510 gewährleistet eine rigorose Kontrolle aller tem-porären und dauerhaften Bauschritte. Ein umfassendesPrüfsystem ist der Versuch zur Standardisierung einer fle-xiblen Methode wie der Spritzbetonbauweise SCL/NÖT.

Tabelle 1 vergleicht die Frequenz üblicher Qualitäts-kontrollen im Rahmen von Crossrail C510 mit den Emp-fehlungen der österreichischen Richtlinie Spritzbeton [3].Die im Vergleich mit der Richtlinie erhöhte Prüffrequenzsoll eine weiterreichende Einhaltung der Qualitätsstan-dards des Endprodukts in sämtlichen Bauphasen gewähr-leisten und gründet sich auf dem Bedürfnis einer höherenSicherheit bzgl. der Systemstabilität. Der tatsächliche Nut-zen kann hinterfragt werden.

Fig. 3. Updated tunnel beamer hardware – theodolite cover-ed in yellow dust protection hood and steered remotely viajoystick and touch screen – in use by BBMV Shift Engineerduring excavation works (Photo: BBMV)Bild 3. Verbessertes TunnelBeamer Gerät – Theodolit untergelber Staubschutzkappe ferngesteuert via Joystick undTouchscreen – gesteuert von einem BBMV Schichtingenieurwährend der Vortriebsarbeiten (Foto: BBMV)



crease in the frequency of the tests provides additional as-surance of the quality of the end product in its temporarystate compared to that required by the Austrian Guideline.This assurance is driven by the need for a higher level ofconfidence in the safety of the system and the actual ben-efit is open to challenge.

2.3.2 Displacement monitoring

In order to control settlement all assets are equipped withmonitoring devices such as prism targets usually attachedto facades or linings at two or more different levels, level-ling studs, sockets, and scales close to or at ground level,water cells in basements, tiltmeters, and crack meters.Readings are taken either automatically, e.g. water cellsand prisms, or manually, e.g. levelling studs and sockets.Automated readings are usually taken at a one hour inter-val; manually readings are up to twice daily.

This is supplemented by in-ground monitoring com-prising extensometers, inclinometers, and piezometers,and of course by the common in-tunnel SCL monitoring.

Dozens of automated total stations, data loggers, and40 to 50 surveyors take readings on some thousands ofmonitoring targets and sensors. The package to be pre-pared, reviewed and submitted to Crossrail measuresmore than 1,750 pages of digital data print outs daily.

2.3.3 Compensation grouting

To compensate for the settlement initiated by the tunnelexcavation over 10,000 m of tube a manchette (TAMs) forcompensation grouting has been drilled and installed byBBMV at Liverpool Street from two 100 m long temporary

2.3.2 Setzungsüberwachung

Zur Überwachung der Setzungen werden alle Bestands-bauten mit Messeinrichtungen versehen wie z. B. Prismen,die in mehreren Ebenen an den Fassaden und Außenver-kleidungen angebracht werden, sowie Nivellierbolzen, -dü-bel und -skalen dicht an bzw. auf Höhe der Geländeober-fläche, Schlauchwaagen in den Untergeschossen, außer-dem Neigungs- und Rissmessgeber. Die Ablesungen werden entweder automatisch, z. B. bei den Schlauchwaa-gen und Prismen, oder manuell, z. B. bei der Nivellierung,durchgeführt. Dabei werden die automatischen Mess-punkte üblicher Weise im stündlichen Rhythmus abgele-sen, die manuellen bis zu zweimal pro Tag.

Zusätzlich werden mithilfe von Extensometern, In -klinometern und Piezometern Untergrundmessungen so-

Table 1. Comparison of required minimum frequency of quality control Austrian Guideline Sprayed Concrete vs. CrossrailC510Tabelle 1. Vergleich der Prüfhäufigkeit: Österreichische Richtlinie Spritzbeton und Crossrail C510

Austrian Guideline Sprayed Crossrail C510 (UK) [4] Frequency increaseConcrete, Inspection Category UEK III [3]Österreichische Richtlinie Crossrail C510 (GB) [4] Verhältnis der Spritzbeton, Überwachungskategorie FrequenzsteigerungUEK III [3]

Flow/Temperature 1 × per day (24h) 1 × per hour ≈ 20 timesAusbreitmaß/Temperatur 1 × täglich (24h) 1 × stündlich ≈ 20-fach

Lining Thickness Every 500 m2 Every 30 m2* ≈ 17 timesSpritzbetondicke alle 500 m2 alle 30 m2 ≈ 17-fach

Early Age Strength Every 1,250 m2 Every 60 m2 ≈ 20 times(tested with penetration needle and Hilti-gun)Frühfestigkeit alle 1.250 m2 alle 60 m2 ≈ 20-fach(Prüfung mit Penetrationsnadel und Setzbolzen)

Compressive Strength Every 250 m3 Every 50 m3 5 times@ agreed age @ 3d, 28d, 90d

Druckfestigkeit alle 250 m3 im alle 50 m3 5-fachvereinbarten Alter nach 3d, 28d, 90d

* equivalent m2 values converted for Platform Tunnel cross section and sequence* äquivalente m2 Werte übertragen auf gegebenen Bahnsteigtunnel-Querschnitt und Vortriebssequenz



grout adits. At Whitechapel Station these were installedfrom a grouting shaft. Grouting works are concurrent withthe tunnelling operations. Real-time monitoring of thebuildings, existing tunnels and the new SCL tunnels isused as grouting needs to be undertaken in close proximi-ty to these structures.

2.3.4 Review process

The review of displacement monitoring data as well as areview of encountered geology, depressurisation of waterbearing strata, SCL profile, thickness, and early strengthtests is done twice daily via the Shift Review Group (SRG)– dayshift and nightshift. The dayshift SRG is attended byCRL and BBMV representatives: site managers, inspec-tors, data managers, designers, surveyors, geotechnical en-gineer; usually 15 members. It is chaired by the SeniorSCL Engineer who – although a BBMV representative –acts as an independent person. All decisions need ap-proval by the Senior SCL Engineer.

Decisions on monitoring frequency, support mea-sures and excavation sequence are taken during dayshiftSRG only. Nightshift SRG confirms the anticipated behav-iour of ground and support. The SRG’s decisions are re-viewed weekly by the Contract Technical Committee(CTC). The CTC comprises the most senior members ofBBMV’s and CRL’s staff on site – again about 15 members.Furthermore another review is undertaken fortnightly bythe Engineering Review Panel (ERP). The ERP includesmembers of the CTC and non-site based staff with particu-lar expertise. The fourth level of control is the EmergencyEngineering Response Team (EERT) which comprisesmembers of SRG, CTC, and ERP which shall meet only incase of emergency.

2.3.5 Triggers and alerts

The monitoring data described above has to be reviewedin the SRG against alerts and triggers. For assets these are:– Default Alert: set up for every 10 mm of total displace-

ment in any direction (“wake up” alert).– Construction Alert: amount of displacements anticipat-

ed with a certain construction stage (“correct construc-tion” alert).

– Green, Amber, Red, and Black trigger: for displacements,slopes, deflection, cant, and twist. The Amber trigger isin general the predicted value as per design. The Greentrigger represents 80 % of it. The Red trigger is either125 % of it or the maximum tolerable movement. TheBlack trigger is judged to adversely affect the operation,safety or stability of the asset.

The SCL has different triggers:– Absolute displacements are used as an indication only

against adverse situations.– Green, Amber, Red, and Black triggers apply for the

strain in the SCL. Different to the assets the Green trig-ger is the predicted value. Movement sufficient to reducethe tunnel factor of safety to 1.8 is an Amber trigger;1.5 Red; and 1.1 Black.

– In addition to strain calculation the utilisation method isused to cover the time dependent behaviour of the SCL [5].

wie selbstverständlich im Bereich des Vortriebs die übli-chen Konvergenzmessungen innerhalb der Tunnel durch-geführt.

Dutzende automatischer Totalstationen und Daten-logger sowie 40 bis 50 Vermesser messen einige tausendMesspunkte, sodass sich das Paket zu bearbeitender, über-prüfender und übermittelnder Daten an Crossrail aufmehr als 1.750 Seiten digitaler Datenausdrucke täglich be-läuft.

2.3.3 Hebungsinjektionen

Um durch den Tunnelvortrieb hervorgerufene Setzungenauszugleichen, wurden von BBMV über 10.000 m Man-schettenrohre für gezielte Hebungsinjektionen im Be-reich der Liverpool Street gebohrt und installiert. Dies geschah von zwei 80 und 100 m langen temporären Stollen. Das Niveau der Manschettenrohre ist mit ca.15 m Tiefe so gewählt, dass sie mindestens 5 m tief imLondoner Ton liegen. Der Abstand zu den darunter lie-genden zukünftigen Stationstunneln beträgt 10 m bis15 m. An der White chapel Station hingegen wurden dieBohrungen für die Manschettenrohre von einem Injek -tionsschacht aus hergestellt. Die Injektionsarbeiten fin-den simultan zum Tunnelvortrieb statt. Dabei wird auf eine Echtzeit-Über wachung zurückgegriffen, welche dieBebauung an der Oberfläche, bestehende Tunnel sowiedie neu aufgefahrenen Stationstunnel erfasst, da Aus-gleichsinjektionen in Bereichen nahe dieser Strukturendurchzuführen sind.

2.3.4 Überwachung der Vortriebsarbeiten

Die Überprüfung der Daten aus den Verschiebungsmes-sungen sowie der angetroffenen Geologie, der Druckent-lastung wasserführender Schichten, der Profilkontrollenund Schalenstärken sowie die Prüfung und Bewertung derErgebnisse aus den Frühfestigkeitstests wird zwei Mal täg-lich von der Shift Review Group (SRG) – in Tag- undNachtschicht – durchgeführt. Die Tagschicht der SRGsetzt sich aus Vertretern von CRL und BBMV zusammen:Bauleiter, Bauaufsicht, Datenmanager, Planer, Vermesserund Geotechniker. Sie hat in der Regel 15 Mitglieder undwird vom Senior SCL Engineer geleitet, der – obwohl Ver-treter von BBMV – als unabhängige Person agiert. AlleEntscheidungen bedürfen seiner Bestätigung.

Entscheidungen bzgl. der Messhäufigkeit, Stützmittelund der Vortriebssequenz werden während der Tagschichtgetroffen, während die Nachtschlicht lediglich das erwar-tete Verhalten von Boden und Ausbau bestätigt. Die Ent-scheidungen der SRG werden wöchentlich vom ContractTechnical Commitee (CTC) überprüft, welches aus den er-fahrensten Mitarbeitern von BBMV und CRL auf der Bau-stelle besteht – wiederum bestehend aus ca. 15 Mitglie-dern. Eine weitere Prüfung findet alle zwei Wochen durchdas Engineering Review Panel (ERP) statt. Dieses setztsich aus Mitgliedern des CTC und Nicht-Baustellen-Mitar-beitern mit besonderer Expertise zusammen. Die vierteKontrollebene stellt das Emergency Engineering Respon-se Team (EERT) dar, welches aus Mitgliedern der drei Gre-mien SRG, CTC und ERP besteht und nur in Notfällen zu-sammentrifft.



The breach of each trigger involves actions which are de-fined in the “Management Plan for Control of GroundMovements”, e.g. the breach of an Amber trigger would re-quire the ERP to meet within 24 hours; the EERT shallmeet within four hours in the event of a Red or Black trig-ger breach.

3 Case study of access cavern construction

During the Optimised Contractor Involvement (OCI)phase, a contractually agreed value engineering phase inthe first three months of the contract, the BBMV JointVenture proposed and agreed with CRL the constructionof 12.5 m high access caverns as a basis for the later exca-vation of the future 10 m high platform tunnels.

These four no access caverns are some of the largestcaverns ever built in London Clay using SCL. As an addi-tional challenge they are excavated in very close proximi-ty, less than 15 m, below urban buildings e.g. a public li-brary and shopping centre car park.

BBMV’s proposal avoided a complex temporary ac-cess sequence which would have been required to be back-filled with foam concrete at a later date and re-excavatedwith a bigger diameter. Although slightly larger in diame-ter, BBMV’s proposal was considered to have a reducedsettlement impact at the surface as it is a straight forwardconstruction sequence with one single disturbance of theground (Fig. 4).

The detailed design of the value engineering for thecaverns as part of the primary lining SCL design of C510

2.3.5 Warn- und Alarmwerte

Die oben beschriebenen Messdaten müssen von der SRGauf Warn- und Alarmwerte hin geprüft werden. Für denBestand sind das:– Standard Warnwert: festgelegt für jegliche Verschiebung

von 10 mm in jede Richtung („wake up“ – Warnwert).– Bauphasenwarnwert: bei Überschreitung des erwarteten

Verschiebungsmaßes einer bestimmten Bauphase(„nicht richtig gebaut“ – Warnwert)

– Grüner, Gelber, Roter und Schwarzer Alarm: für Ver-schiebung, Neigung, Biegung, Verkantung und Verdre-hung. Der gelbe Alarm ist im Allgemeinen der in der Pla-nung vorhergesagte Wert. Der grüne Alarm repräsentiert80 % dieses Werts. Der rote Alarm entspricht entweder125 % des Werts oder der maximal tolerierbaren Ver-schiebung. Der schwarze Alarm ist so festgelegt, dass dieArbeiten, Sicherheit oder Stabilität des Bestands negativbeeinflusst werden.

Bezüglich der Spritzbetonauskleidung gibt es verschiede-ne Warnwerte:– Absolute Verschiebungswerte werden nur als Anhalts-

punkt für eine ungünstig wirkende Situation verwendet.– Grüne, gelbe, rote und schwarze Alarme werden auf die

Dehnung in der Spritzbetonauskleidung angewendet.Anders als im Bestand ist der grüne Alarm der vorausge-sagte Wert. Verschiebungen, die ausreichen um dieStandsicherheit des Tunnels auf 1,8 zu reduzieren, wer-den gelb, auf 1,5 rot und auf 1,1 schwarz angezeigt.

– Zusätzlich zu den Dehnungsberechnungen wird derAuslastungsgrad zur Abdeckung des zeitabhängigen Ver-haltens der Spritzbetonauskleidung verwendet [5].

Das Eintreten jedes Warnwerts führt zu einer Maßnahme,welche im „Management Plan for Control of GroundMove ments“ festgeschrieben ist. Beispielsweise würde eingelber Warnwert das Zusammentreffen des ERPs inner-halb von 24 Stunden fordern. Im Falle des Auftretens eines roten oder schwarzen Warnwertes muss ein Treffendes EERT innerhalb von vier Stunden stattfinden.

3 Fallbeispiel des Baus der Zugangskavernen

Während der Optimised Contractor Involvement (OCI)Phase, einer vertraglich vereinbarten Planungsoptimie-rungsphase in den ersten drei Vertragsmonaten, schlugBBMV alternativ zur ursprünglichen Planung den Bau12,5 m hoher Zugangskavernen als Ausgangspunkt für denspäteren Vortrieb der zukünftig 10 m hohen Bahnsteigtun-nel. Diese vier Kavernen gehören zu den größten je imLondoner Ton in Spritzbetonbauweise hergestellten Ka-vernen. Eine zusätzliche Herausforderung stellt dabei dasAuffahren der Tunnelbauwerke in direkter Nähe, d. h. we-niger als 15 m unterhalb, von städtischer Bebauung wiez. B. einer öffentlichen Bibliothek und einem Einkaufs -center-Parkhaus dar.

Der Bauentwurf von BBMV vermied gezielt den aus-geschriebenen komplexen Bauablauf für den temporärenZugang, welcher zu einem späteren Zeitpunkt zunächstmit Füllbeton verfüllt und anschließend mit einem größe-ren Durchmesser wieder hätte aufgefahren werden müs-

Fig. 4. Comparison of construction sequence between origi-nal baseline design and alternative BBMV OCI proposal; sequence overview in plan view (Graphic: BBMV)Bild 4. Vergleich des Bauablaufs zwischen Ausschreibungs-planung und BBMV OCI Alternativvorschlag. Bauablauf-Übersicht im Grundriss (Grafik: BBMV)



has been undertaken by the Morgan Sindall and AlpineBemo Tunnelling design departments adopting the Laser-shell principals.

As a first step an approx. 6 m diameter pilot tunnel lo-cated in the centre of the future enlargement top heading isexcavated. With its easy to demolish SFR lining the initial pi-lot tunnel significantly reduces the remaining enlargementexcavation face and hence significantly reduces the remain-ing risk of face instabilities as well as ground loss and surfacesettlement due to its stabilising “face dowel” function.

With its small and controllable size and its positionway above the future invert, the pilot tunnel has beenutilised to install wells to depressurise sand lens stratawithin or below the enlargement inverts which had the po-tential to uplift the excavated invert and to potentiallycause face instability.

In a second step the approx. 9 m high first stage of en-largement with temporary invert around the pilot tunnelfollows the finished pilot tunnel construction and finallythe excavation of the 3 m high invert.

On top of the rigid quality control and monitoringmeasures, horizontal inclinometers above the future ac-cess cavern and a real-time displacement monitoring sys-tem for monitoring the shaft during breakout and for thecavern during compensation grouting activities had to beinstalled and monitored hourly against triggers. Also, theearly strength test frequencies have been increased to gaindata for almost every advance.

Following the absolute commitment to design forsafety and strictly avoid exposing personnel to unsupport-ed ground at any construction stage, the reinforcement forthe portal situation at the junction areas is installed in aseparate stage and separate layer on the inside of the fin-ished primary lining. To overcome the challenge of em-bedding rebar with large diameters (Fig. 5) to the requiredquality standard without shadowing, BBMV had to devel-op a special shotcrete mix design giving the shotcrete theworkability to encapsulate large bar diameters. Large scaletrials on encapsulation are ongoing.

In summary, the optimised construction sequencewith pilot tunnel and Lasershell excavation method forquick ring closure has created less than 1.0 % of volume

sen. Obwohl der Entwurf von BBMV von einem größerenEnddurchmesser der Kaverne ausgeht, wurde er als set-zungsreduzierend erachtet, da er eine zielgerichtete Bau-abfolge mit nur einfacher Störung des Baugrunds erfor-dert (Bild 4).

Die Ausführungsplanung der Alternative für die Ka-vernen wurde als Teil der Gesamtplanung der Außenscha-le von Morgan Sindall und Alpine BeMo Tunnelling unterAnwendung der LaserShell Methode durchgeführt.

In einem ersten Schritt wird zunächst ein Pilotstollenvon rund 6 m Durchmesser im Zentrum des späteren Ka-lottenvortriebs der Aufweitung hergestellt. Der Pilotstollenreduziert die verbleibende Querschnittsfläche der Aufwei-tung signifikant und senkt damit das Risiko von Ortsbrust -instabilitäten und nachfallendem Erdreich. Darüber hi-naus wirkt sich seine „Ortsbrust ankerfunktion“ in der Auf-weitung positiv auf eine Verminderung der Oberflächen-setzungen aus, wobei der schrittweise Abbruch desPilotstollens während der Vortriebs arbeiten aufgrund desFehlens von Stabbewehrung und Gitterträgern nur ein ge-ringes Hindernis darstellt.

Aufgrund seiner gut kontrollierbaren Größe und seinerPosition in ausreichender Höhe über der zukünftigen Tun-nelsohle wurde der Pilotstollen nach seiner Fertigstellungzur Herstellung von Druckentlastungsbohrungen in die sichin diesem Bereich befindlichen Sandlinsen verwendet. Dieunterhalb der Sohle oder im Bereich der Ortsbrust befind -lichen Sandlinsen bergen die Gefahr des Grundbruchs oderder Ortsbrustinstabilität während des Vortriebs.

Auf den fertig gestellten Pilotstollen folgt dann in ei-nem zweiten Schritt die Herstellung der ca. 9 m hohenAufweitung mit temporärer Sohle (Bild 5, linke Seite) undschließlich im letzten Schritt der Aushub des 3 m tiefenSohlbereichs.

Zusätzlich zur bereits erwähnten strengen Qualitäts-kontrolle und Messüberwachung wurden horizontale In-klinometer oberhalb der zukünftigen Zugangskaverne undein Echtzeit-System zur Setzungsüberwachung im Bereichdes Schachtes während des Vortriebs sowie im Bereichder Kaverne während der Hebungsinjektionen installiertund stündlich auf das Auftreten von Warnwerten hin über-prüft. Darüber hinaus erhöhte sich die Frequenz der Früh-

Fig. 5. Excavation of enlargement fol-lowing pilot (left); reinforcement worksof 12.5 m access cavern in Whitechapel(right) (Photos: BBMV)Bild 5. Vortrieb der Aufweitung mit Pilotstollen (links). Bewehrungsarbei-ten an der 12,5 m hohen Zugangskaver-ne in Whitechapel (rechts) (Fotos:BBMV)



loss on average and only 50 % of the predicted surface settlement.

In standardising the excavation sequence and allow-ing large tunnels to be excavated safely with the Lasershelland pilot tunnel concept, the designed safety features im-proved the production progress.

4 Conclusion

The design sequences optimised according to the TargetZero safety principles were a key aspect for safe executionand also lead to reduced settlement impacts and an in-creased production within the given environment.

The demanding quality test regime of the SCL with itsincreased frequency in temporary stages also reflected animproved safety assurance.

The management, monitoring and review of the sig-nificant quantities of data for the SCL systems adoptedhas required a BBMV team of approximately 90 people tocover the continuous shift working seven days a week.These resources and the data and information producedare primarily used to confirm the design assumptions andprovide comprehensive and demonstrable compliance. Todate the opportunity to review the system of support andmodify it based on an analysis of the outcomes, as is tradi-tional with NATM, has not been taken.

Dipl.-Ing. Martin FischerAlpine BeMo Tunnelling GmbHAustriaBBMV JV, Crossrail C510Royal Mail Delivery Office206 Whitechapel RoadLondon E1 [email protected]

Dr.-Ing. Alfred StärkAlpine BeMo Tunnelling GmbHAustriaBBMV JV, Crossrail C510Royal Mail Delivery Office206 Whitechapel RoadLondon E1 [email protected]

Chris EvansC.Eng, MICE, Balfour Beatty plcUnited KingdomBBMV JV, Crossrail C510Royal Mail Delivery Office206 Whitechapel RoadLondon E1 [email protected]

festigkeitsuntersuchung am jungen Spritzbeton auf einevolle Messreihe pro Abschlag.

Da die Ausführungsplanung uneingeschränkt derbestmöglichen Arbeitssicherheit verpflichtet und es grund-sätzlichen verboten ist, Personal im ungesichertem Vor-triebsbereich einzusetzen, wird die Portalbewehrung fürden Anschlag der Stationstunnel aus der Zugangskavernein einem separaten Schritt in einer zusätzlichen Schale in-nerhalb der fertiggestellten Außenschale eingebracht.

Eine Herausforderung stellte das Einspritzen erfor-derlicher großer Bewehrungsdurchmesser in dem gefor-derten Qualitätsstandard ohne Spritzschatten dar (Bild 5,rechte Seite). BBMV musste hierfür eine spezielle Spritz-betonmischung entwickeln, die ein ausreichend plasti-sches Verhalten beim Auftrag aufweist, um den Beweh-rungsstab vollständig zu umhüllen. GroßmaßstäblicheModellversuche hierzu laufen noch.

Zusammenfassend konnten mithilfe des optimiertenBauablaufs mit Pilotstollen und LaserShell-Vortriebsme-thode zum schnelleren Ringschluss ein durchschnittlicherMasseverlust von weniger als 1,0 % und lediglich 50 % dervorhergesagten Setzungen erzielt werden.

Durch die Standardisierung des Bauablaufs und dieGewährleistung eines sicheren Vortriebs großer Tunnel-querschnitte mithilfe des LaserShell- und Pilotstollenkon-zepts, ergaben die entworfenen Sicherheitsmaßnahmenauch eine verbesserte Vortriebsleistung.

4 Fazit

Die in Zusammenhang mit dem Target Zero Sicherheits-konzept durchgeführten Optimierungen der Planung unddes Bauablaufs waren maßgebender Aspekt bei der siche-ren bisherigen Projektdurchführung und führten überdieszur einer Reduzierung der Setzungen und erhöhten Pro-duktivität unter den gegebenen Randbedingungen.

Auch das anspruchsvolle Regelwerk zur Qualitäts-überwachung der Spritzbetonbauweise mit erhöhten Test-frequenzen in temporären Bauzuständen trug zur Sicher-stellung einer hohen Arbeitssicherheit bei.

Die Erhebung, Überwachung und Interpretation dererheblichen Messdatenmenge während der Vortriebsarbei-ten erfordert ein BBMV Team von ca. 90 Personen um denkontinuierlichen Schichtbetrieb abzudecken. Die gewon-nen Erkenntnisse sowie Daten und Informationen werdenprimär zur Bestätigung der Planungsannahmen genutztund liefern umfassende und vorzeigbare Ergebnisse bezüg-lich der Konformität der Werte. Auf die Möglichkeit denAusbau auf Basis der durchgeführten Analysen und der ge-wonnenen Erkenntnisse wie üblich bei der NÖT zu prüfenund modifizieren wurde bisher nicht zurückge griffen.

References

[1] Crossrail: www.crossrail.co.uk[2] Eddie, C., Neumann, C.: Development of LaserShell

Method of Tunneling. Proc. North American Tunneling Con-ference 2004. Rotterdam: Balkema, 2004.

[3] ÖBV: Guideline Sprayed Concrete. Vienna, 2013.[4] Crossrail. Contract C510. Contractual Documents.[5] Rokahr, R., Zachow, R.: (1997). Ein neues Verfahren zur

täglichen Kontrolle der Auslastung einer Spritzbetonschale.Felsbau (1997), Nr. 5, S. 430–434.

Quality control and geotechnical monitoring of SCL in urban areas in the UK - case history Crossrail...

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