TUNNELBAUTUNNEL CONSTRUCTION

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TUNNELBAU TUNNEL CONSTRUCTION

Der Tunnelbau zählt trotz neuer bau- und maschinentechnischer Entwicklungen auch heute noch zu den komplexen und kostenintensiven Bauaufgaben. Sowohl für die Planung als auch für die Ausführung sind erfahrene Spezialisten gefragt.

So weisen beispielsweise die Gebirge, in denen Tunnel aufgefahren werden, selten die vom Ingenieur gewünschten Eigenschaften auf. Entscheidend für Planung und Entwurf eines unterirdischen Bauwerks ist daher die bestmögliche Ab- schätzung der Wechselwirkung zwischen Gebirge, Bauwerk und Bauverfahren.

OBERMEYER bietet die gesamte Objekt- und Tragwerksplanung von der Mach- barkeitsstudie bis zur Ausführungsplanung inklusive der Planung der technischen Tunnelausrüstung aus einer Hand an. Das Unternehmen wurde 1958 gegründet und ist als unabhängige Planungsgesellschaft an zahlreichen Standorten im In- und Ausland vertreten.

Unsere Qualität beruht auf dem fundierten Wissen unserer Mitarbeiter und ihren in vielen anspruchsvollen Projekten erworbenen Erfahrungen im Tunnelbau. Nach entsprechender geologischer Vorerkundung empfehlen wir Ihnen die für Ihr Vorhaben passenden Maßnahmen.

Despite advances in construction technology and mechanical engineering, tun- nel construction today still ranks among the complex and cost-intensive con- struction tasks. Experienced specialists are required for both their design and implementation.

The ground through which tunnels are driven, for example, seldom possesses the properties an engineer would like to deal with. For the planning and design of an underground structure it is hence essential to make as precise an assessment as possible of the interaction between the ground, the structure and the construction method.

OBERMEYER offers the entire project and structural design from the feasibility study through to the detailed design, including the planning of technical tun- nel equipment, from a single source. The company was founded in 1958 and is, as an independent engineering consultancy, represented at numerous loca-tions at home and abroad.

Our quality is based on the profound knowledge of our employees and the experience they have acquired from many challenging tunnel construction projects. Once the corresponding geological pre-reconnaissance has been undertaken, we recommend suitable measures for your project.

4 TUNNEL IN SPRITzBETONBAUWEISE

In mindestens kurzfristig standfestem Gebirge ist der Vortrieb von Tunneln in der Spritzbetonbauweise weit verbreitet. Bei diesem Vortriebsverfahren wird nach dem Ausbruch des Gebirges zunächst die Tunnellaibung mit einer Spritzbeton-schicht versehen. Mit dieser Baumethode kann sehr gut auf wechselnde geolo-gische Verhältnisse und Querschnittsänderungen der Tunnel reagiert werden.

Werden zusätzliche Maßnahmen wie z.B. Injektionen oder Vereisungen durchge-führt oder Rohrschirme eingesetzt, ist die Anwendung der Spritzbetonbauweise auch in nicht kurzfristig standfesten Lockergesteinen möglich. Der endgültige Ausbau erfolgt über eine Innenschale aus Stahlbeton.

Tunnel Behringen TunnelFritzens‒Baumkirchen, Österreich I Austria Tunnel Goldberg

TUNNELS IN SHOTCRETE METHOD

Tunnel Frankenhain Tunnel Wuhan‒Guangzhou,China

Tunnel Goldberg

Tunnel driving in the shotcrete method is commonly employed where the ground is at least temporarily stable. With this driving method, after underground excava-tion,theinnersurfaceiscoveredwithalayerofshotcrete.Thisisaveryflexibleconstruction method which can easily be adjusted to changing geological conditions and changes in the tunnel cross section.

If additional measures such as e.g. injections or freezing are carried out or pipe roofs are employed, the application of the shotcrete method is also possible in soft ground which is not temporarily stable. The permanent support system consists of afinalliningmadeofreinforcedconcrete.

6 STATIONEN IN SPRITzBETONBAUWEISESTATIONS IN SHOTCRETE METHOD

Bei der Erweiterung und dem Neubau von unterirdischen Stationen für U-, S- und FernbahneniminnerstädtischenRaumisthäufignureinsehrbegrenzterPlatzanderOberflächevorhanden.AusdiesemGrundmussnebendenStrecken-tunneln zunehmend auch die Station selbst bergmännisch aufgefahren werden.

Wegen ihrer zudem sehr unterschiedlichen Querschnitte für z.B. Bahnsteig-röhren, zugangsstollen und -schächte sowie Rettungsstollen werden diese unterirdischen Stationen überwiegend in der geometrisch und bautechnisch sehr flexiblenSpritzbetonbauweiseaufgefahren.

With the expansion and new construction of underground stations in city centres for underground railway lines, rapid transit systems and main line railways the space availableonthesurfaceisoftenonlyveryconfined.Forthisreasonnotjustthe running tunnel, but also the station itself has to be driven by underground means.

Moreover, on account of their widely varying cross sections for e.g. platform tubes, access tunnels and shafts as well as rescue galleries, these underground sta- tionsarepredominantlyconstructedintheshotcretemethod,whichisveryflex- ible from both a geometrical and constructional standpoint.

Metro Athen, Griechenland Athens Metro, Greece 2. S-Bahn-Stammstrecke München 2nd principal rapid transit line, Munich

STOLLENBAUWEISEGALLERY CONSTRUCTION METHOD

Die grabenlose, unterirdische Stollenbauweise hat sich vor allem in innerstäd-tischen Bereichen bewährt, weil oberirdische Beeinträchtigungen dadurch gering gehalten werden können. zudem eignet sie sich für die Erstellung von Quer-schlägen und Rettungsstollen. Auch stehen für diese Methode zunehmend wirt-schaftlichere Baumethoden zur Verfügung. In Abhängigkeit von der Geologie und Hydrologie kommen hierbei überwiegend die Spritzbetonbauweise oder Vorpres-sungen zum Einsatz.

Querschlag I Cross passage Schlüchterner Tunnel Rettungsstollen I Rescue gallery Tunnel Goldberg Fernwärmestollen München I District heating tunnel Munich Regenwasserkanal I Stormwater sewer Fürth

The trenchless, underground gallery construction method has mainly proven its worth in inner-city areas because it keeps above-ground disturbances to a mini- mum. In addition it is suitable for the creation of cross passage and rescue galleries.Moreoverthismethodbenefitsfromincreasinglyeconomicalconstructionmeth- ods. Depending on the geology and hydrology, either the shotcrete or the pipe-jacking method is largely employed in this context.

8 TUNNEL IN SCHILDBAUWEISE

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Aufgrund der maschinentechnischen Entwicklungen in den letzten Jahren wur- den für die Schildbauweise immer größere Anwendungsgebiete erschlossen. Generell zeichnet sie sich durch hohe Vortriebsgeschwindigkeiten, einen sofor-tigen Ausbau des Tunnels mit Tübbingen und einen setzungsarmen Vortrieb aus.Besonders bei größeren Tunnellängen ist ein wirtschaftlicher Einsatz der Schild-bauweise sowohl im Fest- als auch im Lockergestein möglich.

Der Wahl der passenden Schildmaschine kommt eine besondere Bedeutung zu. In Abhängigkeit von den anstehenden Böden und deren bodenmechanischen Aspekten kommen heute im Locker- und Festgestein überwiegend Schilde mit flüssigkeitsgestützterOrtsbrust odermit Erddruckstützung, offeneSchildemitund ohne Druckluftstützung sowie Mixschilde zum Einsatz. Tunnelvortriebsmaschine

Tunnel driving machine TunnelWiesing‒Jenbach,ÖsterreichIAustria U4 HafenCity, Hamburg

TUNNELS IN SHIELD DRIVING METHOD

TunnelWiesing‒Jenbach,ÖsterreichIAustriaTunnel Donau-Lobau, Österreich I Austria

TunnelWiesing‒Jenbach,ÖsterreichIAustria

Donau

Quartär

Tertiär

Due to the recent advances in mechanical engineering the range of application of the shield tunnelling method is steadily increasing. As a rule it is characterized by the high speed of face advance, the immediate lining of the tunnel with segments and low-subsidence driving. The economical application of the shield tunnelling meth- od is possible, above all, in the case of long-distance tunnels in both rock and soil.

The choice of the most suitable shield machine therefore assumes preeminent importance. Nowadays shields with a slurry-supported working face or earth pressure support, open face shields with and without compressed air support as well as mixshields are mainly employed in rock and soil, depending on the in-situ soils and their soil mechanical parameters.

10 TUNNELERNEUERUNG

Alter Schlüchterner Tunnel Beispiel Tunnelvortriebsportal Sample tunnel enlargement portal Oberstaufener Tunnel

Im zuge der Instandhaltung von bestehenden Tunneln sind zunehmend Nachrüs-tungs- und Sanierungsmaßnahmen notwendig. Dabei handelt es sich sowohl um notwendige bautechnische als auch um sicherheitstechnische Erneuerungen.

Ist die Gebrauchstauglichkeit von Tunneln gefährdet, können je nach Ausgangs- lage verschiedene Methoden zum Einsatz kommen. Wenn die Sicherung des bestehenden Mauerwerks durch Neuverfugungen, Injektionen oder Anker nicht möglichist,wirdhäufigeineneueStahlbetoninnenschaleeingebaut.

Die Baumethoden und -verfahren in der Tunnelerneuerung sind sehr unter-schiedlich. Da sie häufig unter Aufrechterhaltung des Verkehrs ausgeführtwerden müssen, sind neben den technischen Anforderungen vor allem die Minimierung der Eingriffe in den Betrieb der betroffenen Strecken von großer Bedeutung. Hier kann z.B. unter bestimmten Voraussetzungen auf die speziell für Bahntunnel entwickelte „Tunnel-im-Tunnel-Methode“ mit einem Tunnelvor-triebsportal zurückgegriffen werden. Hierbei wird unter laufendem Betrieb der bestehende Tunnel zunächst aufgeweitet und anschließend eine neue Stahlbe-toninnenschale eingebaut.

TUNNEL RENEWAL

Enzweiler Tunnel Homericher & Enzweiler Tunnel

Petersberg Tunnel

Whenitcomestomaintainingexistingtunnels,thereisagrowingneedforretrofit- ting and rehabilitation measures. These embrace necessary constructional as well as safety engineering renewals.

If the serviceability of a tunnel is endangered, a number of different methods may be employed depending on the initial situation. Where it is not feasible to secure the existing masonry by re-pointing, injection or anchoring, a reinforced concrete (RC)finalliningisofteninstalled.

The construction methods and procedures employed in tunnel renewal are very diverse.Astheyoftenhavetobeimplementedwithoutinterruptingtraffic,thechiefconcern, besides the technical requirements, is to minimize any interference with the operation of the affected lines. Under certain preconditions, for example, it is possible to resort here to the “tunnel in tunnel” method with a tunnel enlargement portal which has been specially developed for railway tunnels. Without inter- ruptingnormaloperations,theexistingtunnelisfirstwidenedandthenanewRCfinalliningisinstalled.

12 TRAGWERkSPLANUNG

Bei kaum einer anderen Bauaufgabe spielt die Interaktion von Bauwerk und Bau- grund für die Beurteilung der Gebrauchstauglichkeit und der Tragfähigkeit eine so dominante Rolle wie bei unterirdischen Tragwerken.

Darüber hinaus ist vor allem bei der Unterfahrung von oberirdischen Bauwerken und Verkehrsanlagen die Prognose von Verformungen im zusammenhang mit der Planung der Vortriebsmethoden von entscheidender Bedeutung. In Abhängig- keitvondefiniertenBoden-undGebirgskennwertensindimZugederTragwerks-planung die Bauwerksabmessungen festzulegen sowie die ermittelten Verfor-mungen auf die Verträglichkeit für die oberirdische Bebauung zu prüfen und gegebenenfalls zusatzmaßnahmen vorzusehen.

Neben empirischen Verfahren stehen bei OBERMEYER Programme zur Durch-führung von Stabzug-Berechnungen und insbesondere für Berechnungen nach der Finite-Elemente-Methode (FEM) zur Verfügung. zur Berücksichtigung der räumlichen Tragwirkung von Tunneln erfolgen die Berechnungen nach Erforder-nis auch an dreidimensionalen FE-Modellen.

Tunnelröhren im 3D-Modell, 2. S-Bahn-Stammstrecke, München 3D model of tunnel tubes, 2nd principal rapid transit line, Munich Alter Schlüchterner Tunnel 3D-Modell Anschlussblock Hauptröhre an Rettungsstollen 3D model of main tube connection block with rescue gallery

STRUCTURAL DESIGN

Tübbinge I Segments TunnelWiesing‒Jenbach,ÖsterreichIAustria 3D-Modell Tübbing Pegnitz Tunnel, Nürnberg/Fürth 3D model segment Pegnitz tunnel, Nuremberg/Fürth

In scarcely any other construction task does the interaction of structure and subsoil play such a dominant role in assessing serviceability and bearing capacity as in underground structures.

Furthermore, especially where it is a question of driving a tunnel under above-groundstructuresand traffic facilities, the forecastingof deformations in con- nection with the planning of the driving methods is of vital importance. During the structural design it is necessary to determine the dimensions of the structure as a functionofdefinedsoilandrockcharacteristicsaswellastochecktheascertaineddeformations for compatibility with building development on the surface and, where appropriate, to envisage supplementary measures.

In addition to empirical methods OBERMEYER makes use of programs for the performance of modulus calculations and, in particular, for calculations according tothefinite-elementmethod(FEM).

To take account of the spatial load bearing capacity of tunnels, the calculations are also carried out on 3-dimensional FE models if necessary.

14 TUNNEL IN OFFENER BAUWEISETUNNELS IN OPEN-CUT CONSTRUCTION METHOD

Tunnel Großmutterwiese, Aschaffenburg Mönchswald Tunnel Mönchswald Tunnel

An economical way of constructing shallow tunnels, and tunnels in areas where the surface is available during the entire construction period, is the open-cut meth- od. Open-cut tunnels are usually constructed as frame or vault structures with the aid of waterproof reinforced concrete (waterproof concrete) or reinforced con- crete with sealings.

Inconfinedareaswithahighgroundwaterlevelitisusualtoconstructsheetpile,bored pile or diaphragm walls for the tunnel trench sides during the implemen-tation phase. The sealing of the inverts in tunnel trenches during construction is for example effected by imbedding the shoring into impervious soil layers, by means of underwater concrete inverts or low-lying injection inverts.

BeiseichtliegendenTunnelnundinBereichen,wodieOberflächewährenddergesamten Bauzeit zur Verfügung steht, ist die offene Bauweise eine wirtschaft-liche Tunnelbaumethode. Tunnel in offener Bauweise werden üblicherweise als Rahmen- oder Gewölbebauwerke mit Hilfe von wasserundurchlässigem Stahl-beton (WU-Beton) oder von Stahlbeton mit Abdichtungen erstellt.

In beengten Bereichen mit hohem Grundwasserstand kommen in der Ausfüh-rungsphase Spund-, Bohrpfahl- oder Schlitzwände als Baugrubenwände zur Anwendung. Die bauzeitlichen Baugrubenabdichtungen im Sohlbereich erfolgen z.B. durch Einbindung des Verbaus in dichte Bodenschichten, durch Unterwas-serbetonsohlenodertiefliegendeInjektionssohlen.

TUNNEL IN DECkELBAUWEISETUNNELS IN TOP COVER-CONSTRUCTION METHOD

By employing the top cover construc-tionmethod,itispossibletosignificantly reduce the periods when the surface has to be used as well as any distur-bance of local residents.

After the tunnel trench sides have been inserted, the first step is to pour the“cover”, i.e. the roof of the structure. The surface above the concreted cover can already be used again while the subsequent driving works take place underneath. Driving tunnels under top cover with the aid of compressed air means it is possible to dispense with the dewatering and, especially, the creation of a waterproof trench invert which would otherwise be required. This compressed air tunnelling has hence proven to be an environmentally friendly and economical construction method.

TunnelFritzens‒Baumkirchen,Österreich I Austria

Tunnel Luise-kiesselbach-Platz, München I Munich

Durch den Einsatz der Deckelbauweise kann die zeitliche Inanspruchnahme von Oberflächen und eine mögliche Beeinträchtigung von Anwohnern deutlichreduziert werden.

Nach dem Einbringen der Baugrubenwände wird zunächst der „Deckel“, d.h. die Decke des Bauwerks betoniert. zeitlich parallel mit dem anschließenden Vortrieb unterdem„Deckel“kannbereitswiederdieOberflächeoberhalbderbetoniertenDecke genutzt werden. Durch einen Vortrieb unter dem „Deckel“ mittels Druckluft kann die ansonsten erforderliche Wasserhaltung und insbesondere die Erstellung einer wasserdichten Baugrubensohle ersetzt werden. Diese Druckluftvortriebe zeichnen sich damit als umweltfreundliche und wirtschaftliche Baumethode aus.

16 ABSENkTUNNELIMMERSED TUBE TUNNELS

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Warnow-Querung I Warnow crossing, Rostock Daugava-Querung Riga, Lettland I Daugava crossing Riga, Latvia

Daugava-Querung

Eine Alternative zur bergmännischen Bauweise bei der Querung eines Flusslaufs stellt die Herstellung des Tunnels als Absenktunnel nach der Einschwimm- und Absenkmethode dar. Insbesondere bei lebhaftem Schiffsverkehr ist es vorteil- haft, dass hierdurch größere Sperrungen des Flusslaufs vermieden werden.

Aufgrund der seichten Tunnellage direkt unterhalb der Flusssohle können neben den Tunnellängen insbesondere die beidseitigen Rampenlängen zur Erreichung der Geländeoberfläche gegenüber einer bergmännischen Bauweise deutlichreduziert werden.

Instead of driving a tunnel under a river by underground means it is also pos- sible to install an immersed tube tunnel according to the float-and-sinkmeth- od.Especiallywhereshippingtrafficisheavy, this method precludes the need toclosetherivertotraffic.

Due to the shallow position of the tunnel directly below the river bed it is possible, unlike with an underground tunneldrivingmethod, tosignificantlyreduce not just the tunnel lengths, but also the ramp lengths required to reach the ground surface on both sides.

TUNNEL AUSSTATTUNG TUNNEL EQUIPMENT

Im Gegensatz zur eigentlichen technischen Ausrüstung in Tunneln sind Elemente der Tunnelausstattung bereits Teil der Rohbauplanung und -ausführung des Tunnels. Entscheidende Elemente sind hier die Rand- und Rettungswege, die meist kabelleerrohrtrassen oder kabelkanäle beinhalten, ebenso wie kabelque- rungen unterhalb der Fahrwege.

Weitere Elemente der Tunnelausstattung wie Entwässerung mit Schächten, Löschwasserleitungen mit Hydranten, Handläufe, Rollpaletten bei Bahntunneln sind Teil der eigentlichen Tunnelplanung und -bauausführung.

As opposed to the actual technical equipment inside tunnels, elements of the tunnel equipment already form part of the tunnel’s shell design and construction.Crucial elements are the edge and escape routes along with the empty pipes routes or cable ducts as well as cable crossings below the tracks which they nor- mally contain.

Furtherelementsofthetunnelequipmentsuchasdrainagewithshafts,fire-water pipelines with hydrants, railings and roller pallets in the case of railway tunnels are likewise part of the actual tunnel design and construction.

kabelkanal I Cable duct Löschwassereinspeisung, Rollpaletten

Fire-water intake, roller palletsAnkerschienen I Anchor rails

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