by W Steiner · Cited by 19 — führten Bauwerken gut übereinstimmen. Die Auswirkung unterschiedlicher Bauvorgänge auf Größe der Quelldrücke und der quellenden Bereiche kann zumindest

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17© 2011 Ernst & Sohn Vunnelling 4 (2011), No. 2The evaluation of several case histories of tunnels in swellingrock with sulfate bearing minerals shows that brittle fracture plays an important role in the development of swelling processes. Brittle failure by spalling has been directly observed in several tunnels, as early as the 19th century and more recently. Numeri- cal analyses applied to different case histories with observed heave and development of strong swelling pressure, considering different construction processes; agree with the observed swelling zones. The effect of construction procedures on swelling in particular the development of pressures and swelling zones becomes evident from these analyses. For a better under- standing of swelling processes brittle failure processes have to be considered in the analyses.1Introduction In an article [1] published a fewmonths ago,the role of brittle fracture in the behaviourof tunnels in weak, swelling rockwas studied,considering brittle fracture processes observed neartunnels in similarstress to strength conditions and numerical analyses. Comparisons were also made with observations in clay shale [2] [3] [4] of similarstrength. It was proposed that the swelling phe- nomenon is not only affected by ground conditions and brittle failure processes but,as a consequence,is also strongly influenced by excavation,construction and sup- port sequences and procedures. In the following article,several case histories are pre- sented and discussed where on one hand swelling behav- iourwas observed during construction,causing locally se- vere problems during construction and during operation of the tunnel,in contrast to construction procedures per- mitting smooth construction. This experience dates back to the 19 thand the early 20thcentury and provides an in- sight into factors that affect swelling and the magnitude of swelling pressures that can develop behind a tunnel lining. 2Qualitative evidence of swelling induced by brittle failure In this section,several case examples are discussed to sup- port the hypothesis of brittle failure controlled swelling,as presented by Steineret al. [1] and to drawpractical con- clusions fortunnelling in swelling rock. These considera- tions are based on experience from railway and road tun- nels in the Jura mountains in north-western Switzerland and tunnels in south-western Germany in and around the un- g−nge eine entscheidende Rolle spielen im Aufbau von Quell-Tunneln, teilweise im 19. Jahrhundert, Sprıdbruchvorg−nge direkt beobachtet, wenn Abschalungen auftraten. Andererseitskonnte mit numerischen Analysen gezeigt werden, dass je nachBauvorgang unterschiedlich gro§e, zerbrochene Zonen auftre-ten, die mit beobachteten Quellzonen und Hebungen an ausge-der quellenden Bereiche kann zumindest qualitativ nachgewie-sen werden. Bei Tunnelbauten in quellendem Gebirge ist die Aus- 1Einleitung In einem kürzlich veröffentlichten Beitrag [1] wurde die Auswirkung von Sprödbrüchen im weichen Gestein auf das Quellverhalten mit Beobachtungen und numerischen Analysen dargelegt. Das Verhalten von Gebirge im Opali- nuston [2] [3] [4] mit vergleichbarerFestigkeit und Bean- spruchung wurde mit einbezogen. Wie im früheren Bei- trag erläutert,werden Quellvorgänge nicht nurvom Bau- grund beeinflusst,sondern wesentlich durch die Aus- bruch-,Bau-und Sicherungsverfahren mitbestimmt. Im Folgenden werden verschiedene Fallstudien analysiert, beiden beim Bau und im Betrieb große Schwierigkeiten auftraten oderbei denen während des Baus besondere Probleme auftraten. Diese Erfahrungen reichen teilweise ins 19. Jahrhundert zurückoderstammen aus dem frühen 20. Jahrhundert und geben Hinweise auf das Gebirgs- verhalten und die Beanspruchungen derTunnelausklei- dung. 2Beobachtungen Hierwerden Beobachtungen aus verschiedenen Fallstudi- en dargelegt,welche die Hypothese derAuslösung von Quellvorgängen durch Sprödbrüche aufgrund unter- schiedlicherErfahrungen stützen. Aus diesen Erfahrun- gen werden Folgerungen fürdie Ausführung von Tunneln abgeleitet. Diese Überlegungen stützen sich auf Erfahrun- gen von Bahn-und Straßentunneln im Jura derNordwest- schweiz,südlich von Basel und aus derUmgebung von Stuttgart in Baden-Württemberg,die fürdas Projekt Topics Role of brittle fracture on swelling behaviour: evidence from tunnelling case historiesSprıdbruch in wenig festem Fels als Auslıser vonQuellvorg−ngen: Erkenntnisse aus Fallstudien Walter Steiner Peter K. Kaiser Georg SpaunDOI: 10.1002/geot.201100005 141_156_GeoT201100005.qxd 31.03.2011 9:53 Uhr Seite 141

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18 Special print: Geomechanics and Tunnelling 4 (2011), No. 2W. Steiner/P. K. Kaiser/G. Spaun á Role of brittle fracture on swelling behaviour: evidence from tunnelling case historiescity of Stuttgart The information presented was previous- ly compiled forthe design of the Wisenberg tunnel [5] [6] [7] and is supplemented by laterexperience [8]. 2.1Observations from Hauenstein Base Tunnel The Hauenstein Base Tunnel was built between 1912 and 1916 and was reconstructed from 1919 to 1923and from 1980 to 1986. In 1988,stress measurements with flat jacks were car- ried out in the lining of the Hauenstein Base Tunnel to as- sist the design of the planned parallel Wisenberg tunnel [7] [9] and to estimate the swelling pressure acting on the liner. The back-calculated swelling pressures are of the or- derof 1.8 to 2.5MPa [7] [9] and do not correspond to the highly variable swelling pressures (1.5to 4.7MPa)mea- sured on small laboratory samples from a horizontal bor- ing drilled in the western side wall of the tunnel. The sam- ples from the gypsum keuper(Anhydrite shale)are very heterogeneous (Figure 1),and showa large scatterin min- eralogical composition [10] [11]. Afterthe swelling tests [11],gypsum veins were observed with crystallized gyp- sum across the rockmatrixcreated in the sample by brittle cracks and shears. 2.2Observations and interpretation of events at Belchen Tunnel The 3.2 km long dual-tube Belchen Motorway Tunnel was constructed between 1961and 1969 and crosses the fold- ed section of the Jura mountains (Faltenjura)with nearly half in gypsum keuper[12]. The overburden is about 100 m for0.8 km and 150 to 200 m forthe remainderof the tunnel length in gypsum keuper; the maximum overbur- den is 370 m in shale. During construction, 1,900 m of invert already had to be replaced by a stronger invert arch. The tunnels had to undergo several phases of local repair[13] and a majorreconstruction between 2002 and 2004in an effort to extend the safe use life of the tun- Wisenberg Tunnel [5] [6] [7] zusammengetragen wurden. Weitere Erfahrungen sind in [8] enthalten. 2.1Beobachtungen aus dem Hauenstein Basistunnel DerHauenstein Basistunnel wurde von 1912 bis 1916 ge- baut und musste bereits 1919 bis 1923ein erstes Mal saniert werden. Eine zweite Sanierung erfolgte 1980 bis 1986. Fürdie Planung des Wisenbergtunnels,derals zweiter Juradurchstich ungefährparallel zum Hauensteintunnel vorgesehen ist,wurden 1988 mit Schlitzpressen die Span- nungen im Tunnelgewölbe des Hauensteinbasistunnels gemessen,um daraus die wirkenden Quelldrücke,insbe- sondere im Gipskeuper,abzuschätzen [7] [9]. Die so er- mittelten Quelldrücke sind mit 1,8 bis 2,5MPa geringer und streuen weit wenigerals die an kleinen Proben in Laborversuchen ermittelten Quelldrücke (1,5bis 4,7MPa) Die Proben aus Gipskeuper(Bild 1)waren sehrhete- rogen,was auch die durchgeführten mineralogischen Un- tersuchungen [10] [11] zeigen. In Laborproben wurden nach derDurchführung von Quellversuchen [11] gipsge- füllte Klüfte und Schichtfugen aus kristallisiertem Gips festgestellt,die durch die ursprüngliche Felsmasse verlie- fen und sich offensichtlich in neuen Rissen (Sprödbrü- chen)gebildet hatten. 2.2Beobachtungen und Interpretationen aus dem BelchentunnelDer3,2 km lange zweiröhrige Belchen Autobahn Tunnel wurde von 1961bis 1969 erbaut und quert den Faltenjura. Erliegt zurHälfte in Gesteinen des Gipskeupers [12]. Die Überlagerung im Gipskeuperbeträgt etwa 100 m für0,8km und im übrigen Abschnitt 150 bis 200 m; die größte Überla- gerung beträgt 370 m im Opalinuston. Größere bautechni- sche Probleme ergaben sich schon während des Baus. Noch während des Baus musste auf einerLänge von ca. 1.900 m das ursprüngliche Sohlgewölbe herausgerissen und durch ein stärkeres Sohlgewölbe ersetzt werden. Seit Inbe- triebnahme mussten verschiedene Instandsetzungsarbeiten [13] vorgenommen werden. Von 2002 bis 2004wurden beide Röhren durchgehend saniert,um die Lebensdauer um 20 Jahre zu verlängern. Nun wird eine dritte Röhre ge- baut,damit die bestehenden Röhren nacheinanderaußer Betrieb genommen und erneut saniert werden können. 2.2.1Bauvorg−nge Das Bauverfahren derBelchentunnel warmehrstufig (Bild2). Zuerst wurden zwei Seitenstollen mit Wassergrä- ben ausgebrochen,anschließend wurden Betonbankette erstellt,die als Fahrbahn füreinen Hufeisenschild dienten [12] [14] Im Schutz dieses Schilds wurde derTunnel im Vollausbruch mit Sprengen aufgefahren. Dabei stützte sich derSchild zuerst an umsetzbaren Stahlbögen ab,spä- terwurde ein fahrbarerVorschubrahmen verwendet. Als Sicherungsmaßnahmen wurden zuerst Stahlbögen mit Stahldielen,späterSpritzbeton und Felsanker,verwendet. Die Bauphasen erstreckten sich überlange Zeitperioden, bei derWeströhre mehrere Jahre,bei derOströhre noch 12 bis 20 Monate. Das Innengewölbe folgte einige Monate bis ein Jahrspäter,darauf folgte das Sohlgewölbe. Fig. 1.Core with slickensides in anhydrite-bearing claystone (gypsum keuper)from a boring in western side wall of the Hauenstein Base Tunnel (1988) Bild 1.Bohrkern mit anhydritführendem Tonstein (Gips- keuper)mit Harnischflächen aus einerBohrung in derwest- lichen Ulme des Hauenstein Basistunnels (1988) 141_156_GeoT201100005.qxd 31.03.2011 9:53 Uhr Seite 142

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19Special print: Geomechanics and Tunnelling 4 (2011), No. 2W. Steiner/P. K. Kaiser/G. Spaun á Role of brittle fracture on swelling behaviour: evidence from tunnelling case historiesnels by about 20 years. Now,a third tube is planned that will eventually allowforthe reconstruction of the existing two tubes while maintaining fourlanes of traffic. 2.2.1Construction sequence The Belchen Tunnels were initially constructed by first driving two side drifts (Figure 2),in which a concrete strip footing was placed that served as tracks fora horseshoe shaped half shield [12] [14]. The tunnel was then widened by drill and blast excavation to the full width underthe protective roof of this shield. Initially,the shield was pushed from steel sets that were mounted and dismount- ed,which were latersubstituted by a moveable reaction frame. Spalling above the shield was observed. The initial support consisted of steel sets with steel plates; latershot- crete and rockbolts were used. In the western tube,which was excavated first,the time windowfrom excavation of the side drifts to the full tunnel excavation extended over several years. The eastern tunnel excavation was achieved more rapidly over12 to 20 months. The concrete in the roof and side walls was placed several months to a year later. The invert arch was concreted several weeks after the concrete arch in the top heading,2 to 3years after opening of the lateral drifts. Swelling processes were already observed during the excavation of the lateral drifts [12]. Rockbolts in the in- vert of these drifts were not sufficient to control heaving [12] and the heaving process was augmented during the widening of the tunnel. Afterexcavating the invert,the ini- Quellhebungen wurden schon beim Bau derSeiten- stollen [12] beobachtet. Felsankerin derSohle derSeiten- stollen reichten nicht aus,um Hebungen zu verhindern. Die Hebungen verstärkten sich mit Ausbruch des Tunnels. Das ursprünglich 0,45m starke Sohlgewölbe (Bild 3)mit einem Radius von 10,4m wies eine Traglast fürRadial- Fig. 2.Construction sequence of Belchen Tunnel (from top left to bottom right): a)Excavation of side drift with drainage ditches; b)Placement of strip footings to serve as track forshield; c)Excavation of heading undershield and installation of support with steel arches and steel plates,partly with backfill-concrete; d)Placement of concrete arch in crown; e)Excava- tion of invert; f)Pouring of invert concrete arch [14] Bild 2.Bauvorgang des Belchentunnels (von oben links nach unten rechts): a)Ausbruch derSeitenstollen mit Wasser- gräben,b)Betonstreifen als Fahrbahn fürden Schild,c)Ausbruch des Tunnels im Schutz des Schilds,d)Gewölbebeton, e)Ausbruch derSohle,f)Betonieren derSohlgewölbes [14] Fig. 3.Cross section of Belchen Tunnel with initial (right side)and second (left side)invert arch [12] Bild 3.Querschnitt des Belchentunnels mit erstem (rechts) und zweitem (links)Sohlgewölbe [12] 141_156_GeoT201100005.qxd 31.03.2011 9:53 Uhr Seite 143

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20 Special print: Geomechanics and Tunnelling 4 (2011), No. 2W. Steiner/P. K. Kaiser/G. Spaun á Role of brittle fracture on swelling behaviour: evidence from tunnelling case historiestial,0.45m thickarch (Figure 3)with a radius of 10.4m and a nominal radial stress capacity of 1.2 MPa could not prevent rapid heave. Astronger,0.85m thickinvert,with a radius of 8.12 m and a radial stress capacity of 3MPa was installed. The nominal capacity of the crown remained at about 1.6 MPa radial pressure,producing a capacity im- balance between floorand crown. In 2.5m deep exploratory pits,waterflowed in and the degree of anhydrite to gypsum transformation de- creased from top to bottom [12]. Layers of 1to 2 mm thickgypsum were frequently observed. Waterwas circu- lating in newly formed fissures.2.2.2Behaviour of tunnel lining between 1966 Ð 1997 Shortly afterconstruction,strains were measured reaching 0.1to 0.2 % [12] in the crown arch,suggesting that the stresses in the concrete had reached orwere approaching the limit of its compressive strength. Contact pressures from 0.5to 3.5MPa [12] were measured,with most of the cells being out-of-orderaftera fewyears. Substantial phys- ical and chemical attackto the concrete was observed in several sections and it is assumed that the concrete has a reduced strength due to this chemical attack. Local re- pairs had to be executed in several sections [13] by replac- ing and reinforcing the crown lining. The thickness of the lining in the crown did not always reach the nominal thickness according to the design drawings (300 mm). Mineralogical investigations [15] [16] on samples from core borings indicate that the transformation of anhydrite into gypsum propagated 6m belowthe invert,and mea- surements with sliding micrometer[8] in these borings showed heave due to swelling. 2.2.3Model of Belchen Tunnel The complexconstruction sequence of the Belchen tunnel was modelled in pseudo-3D,plane-strain analyses with Phase2™ developed by Rocscience,Toronto. Brittle rock properties as shown in [1] fora tri-linearfailure envelope were adopted to determine the extent of brittle failure (Table 1). The analysed cross-section was somewhat simplified and represents a generic cross-section starting from a circular section. The construction sequence was simulated in stages. An overburden of 150 m resulting in overburden spannungen von 1,2 MPa auf. Dieses Sohlgewölbe konnte rasche Sohlhebungen nicht verhindern und wurde zer- stört. Ein zweites stärkerbewehrtes Sohlgewölbe mit 0,85m Stärke und 8,12 m Radius mit einertheoretischen Traglast von 3MPa wurde eingebaut. Die radiale Traglast des Kalottengewölbes betrug 1,6 MPa Radialspannung. Somit bestand ein Ungleichgewicht derTraglasten zwi- schen Sohle und Kalotte.In 2,5m tiefen Sondierschächten wurde beobachtet, dass Wasserzufloss und derGrad derUmwandlung von Anhydrit in Gips von oben nach unten zunahm. Weiterhin wurden 1 bis 2 mm starke Gipsbänderbeobachtet. Wasserzirkulierte durch neu entstandene Risse im Gebirge.2.2.2Verhalten des Belchentunnels 1966 Ð 1997 Schon kurz nach dem Bau wurden Stauchungen des Be- tons in derKalotte gemessen [12],diese erreichten 0,1bis 0,2 %,was bedeutet,dass die Spannungen im Beton die einachsige Druckfestigkeit praktisch erreicht hatten. Kon- taktspannungsmessungen zwischen Gipskeuperund Sohl- gewölbe zeigten Quelldrücke von 0,5bis 3.5MPa [12]. Es wurden verschiedene kleinere und größere Reparaturen notwendig [13]; dabei wurden Teile des Gewölbes ersetzt und verstärkt. Man stellte auch fest,dass das Gewölbe in derKalotte nicht immerdie theoretische minimale Stärke von 300 mm aufwies. Mineralogische Untersuchungen von Proben aus Kernbohrungen [15] [16] zeigten,dass der Umwandlungsvorgang von Anhydrit in Gips sich tieferun- terdie Sohle fortpflanzte. Messungen mit Gleitmikro- meterin diesen Bohrungen zeigten Quellhebungen bis in eine Tiefe von 6 m unterdie Sohle [8]. 2.2.3Numerisches Modell des Belchentunnels Derkomplexe Bauvorgang des Belchentunnels wurde mit dem Finite Element Programm Phase2™ von Rocscience, Toronto,in einem ebenen Pseudo-3D-Modell analysiert [1]. Die früherverwendeten Felseigenschaften [1] sind dem Modell zu Grunde gelegt (Tabelle 1) Deranalysierte Querschnitt weist einige Vereinfa- chungen auf und stellt einen generischen Kreisquerschnitt dar,in den die verschiedenen Ausbruchphasen eingepasst und phasenweise simuliert wurden. Angenommen wurde eine Überlagerung von 150 m,dies ergibt eine Vertikal- spannung v=4,1MPa,und einen geschätzten Horizon- Table 1. Rock mass parameters applied with brittle failure envelope Tabelle 1.Eigenschaften des Gebirges mit Spödbrucheigenschaften Uniaxial compressive strength UCSEinachsige Druckfestigkeit20 ± 5MPa mi(Hoek-Brown)Hoek-Brown Parameter10–15 Geological Strength IndexGSIGeologischerFestigkeitsindex70–80 Tensile strengthZugfestigkeit2 ±1MPa Young’s modulusElastizitätsmodul E20 ±10 GPa Poisson’s ratioQuerdehnungszahl 0.25–0.3Spalling limit Sprödbruchgrenze 1/37–10 Crackinitiation threshold ratio CI/UCSRissbildungsgrenze CI/UCS0.3 141_156_GeoT201100005.qxd 31.03.2011 9:53 Uhr Seite 144

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21Special print: Geomechanics and Tunnelling 4 (2011), No. 2W. Steiner/P. K. Kaiser/G. Spaun á Role of brittle fracture on swelling behaviour: evidence from tunnelling case historiesstress v=4.1MPa and a K o=1.5was assumed. These analyses are intended to illustrate the failure process anddo not fully reflect the detailed construction sequence with all support components. The construction of the two side drifts was simulated in Step 1(Figure 4a),the excavation of the heading is ap- proximated with a reduced stiffness of the rockin the exca- vated section in Step 2 (Figure 4b),and the final excavation of the invert is executed in the last stage (Figure 4c). The talspannungsbeiwert K O=1,5[1]. DerZweckdieserAna- lysen ist die Darstellung derBruchvorgänge im Gebirge. Daherwurden nicht alle Bauvorgänge im Detail model- liert. In Schritt 1wurde die Erstellung derbeiden Seiten- stollen (Bild 4a)modelliert,derAusbruch des Tunnels überderFahrbahn wurde durch Abminderung derFels- steifigkeit im Tunnelquerschnitt nachgebildet (Bild 4b). DerAusbruch derSohle erfolgte in einerdritten Phase Fig. 4.Development of mean stresses (range 0 to 2.5MPa): a)Afterexcavation of side drifts with fractured zones below the floorof the side drifts to the depth of the eventual invert; b)During tunnel advance,simulated by softening the rock in the top heading; the fractured zone is deepened below the side drifts and coalesces below the heading,and the invert is becom- ing less confined (low mean stress nearfloor); c)Aftercomplete excavation of the invert,with fractured and softened zone in invert; the fractured zone extends slightly below the circularoutline and the zone with swelling potential is slightly deep- ened; d)Mean stress distribution (range 0 to 6 MPa)at final stage (without support)showing that swelling potential as well as brittle failure potential ends at circularoutline Bild 4.Verlauf dermittleren Normalspannungen (Bereich 0 bis 2,5MPa): a)nach Ausbruch derSeitenstollen mit Bruch- zonen in deren Sohle bis zurSohle des Tunnels reichend; b)während des Tunnelvortriebs,modelliert durch Verminderung derSteifigkeit des Felses in derKalotte; die Bruchzone vertieft sich unterden Seitenstollen und die beiden Bruchzonen ver- einigen sich unterderSohle des Tunnels (Verminderung derMittelspannung unterderFahrbahn); c)nach Ausbruch derSohle mit zerbrochenerund aufgeweichterSohle in derSohle,die Bruchzone reicht unterden Kreisquerschnitt und die Zone mit Quellpotential reicht tiefer; d)Verlauf derMittelnormalspannung (Bereich 0 bis 6 MPa)im Endzustand ohne Sicherung, hierzeigt sich,dass Sprödbrüche und Quellpotenzial am Kreisumriss enden c)d) a)b) 141_156_GeoT201100005.qxd 31.03.2011 9:54 Uhr Seite 145

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22 Special print: Geomechanics and Tunnelling 4 (2011), No. 2W. Steiner/P. K. Kaiser/G. Spaun á Role of brittle fracture on swelling behaviour: evidence from tunnelling case historiesfractured zone with tensile (o)and shear(x)failure in the invert develops rapidly from the two side drifts when the confinement of the tunnel face disappears (between the stages illustrated in Figures 4and 4b). Shortly afterface ex- cavation,two fracture zones coalesce and the entire zone in the floorof the top heading destresses and thus becomes prone to swelling. The mean stress is contoured fora range of 0 to 2.5MPa (in Figures 4a to 4c,and from 0 to 6 MPa in Figure 4d to highlight where crystal growth is to be expect- ed (at a mean stress of about 1.5to 2.5MPa). The sequence of figures shows howthe zone of swelling potential propa- gates. As soon as the face passes,a deep zone with less than 2.5MPa develops in the fracture zone,which reaches the circularoutline. When the invert is excavated,the fracture zone deepens but the lowmean stress zone ( <2.5MPa) does not propagate beyond the circularoutline. The mean stress contours with an expanded scale to 6MPa are shown in Figure 4d togetherwith the 3=1MPa contourand the spalling limit of 1/3=7. This illus- trates that the zone of high spalling potential ( <1MPa confinement and >spalling limit of 7)and thus brittle fracture enhanced swelling potential is constrained by the circularoutline (inside the two contours). 2.2.4Interpretation of tunnel behaviour in light of these simulationsLong delays of many months occurred between the vari- ous construction phases and drainage ditches were locat- ed in the side drifts. Watercould thus enterinto the frac- tured zones in the base of the side drifts and eventually in the zone belowthe invert of the tunnel (at stage shown in Figure 4b). As a consequence,it must be assumed that swelling and softening processes started long before the top heading was completely excavated. The rapid heave afterplacement of the initial invert is therefore a likely consequence of long-term waterinfiltration into the frac- tured rockbelowthe invert (Figures 4b and 4d). In summary,the numerical analyses showthat zones with tensile stress fracturing causing lownormal and mean stresses develop with each excavation stage. Swelling behav- iourwas observed in the zones where waterhad easy access and fissuring had been observed in the field. This supports the hypothesis that swelling behaviourmay be triggered by stress fracturing; and that the assumed material model re- flects the behaviourof the rock. Most importantly,as dis- cussed by Kaiser[17],the radial extensometershowed that swelling was localized at the yield front with high spalling potential,corroborating this interpretation [8]. 2.3Observations and interpretation from Adler Tunnel The AdlerTunnel built from 1994to 2000 is 5,700m long with 4,262 m driven by a shielded full-face TBM and was lined with precast segments. The tunnel crossed gypsum keuper(anhydrite shale)overa length of 1,095m with overburden varying from 50 to 150 m. Fourmonitoring sections were placed in the zones with the highest swelling potential [18]. The main results of this monitor- ing are: –The distribution of measured swelling pressure is irregu- larand ranges from 0.5to 1.8 MPa radial stress; and (Bild 4c). Die gebrochene Zone mit Zugbrüchen (o)und Scherung (x)in derSohle entwickelt sich rasch von den beiden Seitenstollen her,wenn derRückhalt in derKalotte entfällt. In dieserPhase vereinigen sich die beiden Bruch- zonen,und die Zone in derSohle entspannt sich und wird damit dem Quellvorgang ausgesetzt. DerBereich dermitt- leren Normalspannung ist von 0 bis 2,5MPa dargestellt, um darzustellen,wo die Anhydrit-Gipsumwandlung bei Anwesenheit von Wasserzu erwarten ist. Die Entwicklung derZonen mit Quellpotenzial ( m<2,5MPa)ist in der Folge derBilderdargestellt,wie sie sich mit dem Auswei- ten des Tunnels einstellt. Diese Zone erreicht den Kreis- umfang; mit Ausbruch derSohle verschiebt sich dies Zone aberkaum außerhalb des Kreisquerschnitts. In Bild 4d sind die mittleren Normalspannungen ineinem größeren Maßstab dargestellt zusammen mit dem Verlauf derkleinsten Hauptspannung 3=1MPa und der Abplatzungsgrenze 1/3=7. Diese Abbildung zeigt,dass diese rechnerischen Hauptquellzonen innerhalb des Kreisquerschnitts liegen. 2.2.4Interpretation des simulierten Tunnelverhaltens Zwischen den einzelnen Phasen verstrich meist eine lange Zeit,und die Wassergräben verliefen durch die Seitenstol- len. Wasserkonnte deshalb in die gebrochenen Zonen in derSohle derSeitenstollen gelangen und späterunterdie ganze Sohle des Tunnels vgl. Bilder4b bis 4d). Deshalb ist davon auszugehen,dass Quell-und Aufweichungsprozes- se unterderSohle einsetzten,lange bevorderHauptquer- schnitt ausgebrochen war. Die rasch aufgetretenen He- bungen des ersten Sohlgewölbes dürften eine Folge des Wasserzuflusses in den Fels in derSohle sein vgl. Bilder4b und 4d). Zusammenfassend kann geschlossen werden,dass sich Zonen mit Sprödbrüchen,die zu niedrigen Haupt- und Mittelnormalspannungen führen,bei jederAusbruch- phase ergaben. Quellhebungen wurden in Bereichen be- obachtet,wo Wasserzufließen konnte und wo auch im Feld Risse beobachtet wurden. Diese Beobachtungen stüt- zen Hypothesen,dass Quellprozesse durch Sprödbrüche ausgelöst werden und dass das gewählte Materialmodell das Gebirgsverhalten widerspiegelt. Weiter,wie von Kaiser[17] erläutert,zeigen radiale Gleitmikrometermessungen, dass spätere Quellvorgänge im Bereich derBruchfront mit hohem Abplatzungspotenzial beobachtet wurden [8]. So- mit werden obige Interpretationen weitergestützt. Obwohl durch die verhältnismäßig lange Zeit zwi- schen dem Ausbruch derSeitenstollen und dem Einbau des endgültigen Sohlgewölbes ein Zeitraum von mehreren Jahren lag,scheint derauf das Sohlgewölbe wirkende Quelldruckvon bis zu 3MPa sehrhoch und spricht nicht füreine Verminderung des langfristig wirkenden Quell- drucks durch die Zulassung großerDeformationen. 2.3Adlertunnel: Beobachtungen und Interpretation Der5.700 m lange Adlertunnel wurde 1994bis 2000 auf einerLänge von 4.262 m mit einerSchildmaschine aufge- fahren und mit Tübbingen und einerBetoninnenschale ausgekleidet. DerTunnel durchquert auf einerLänge von 1.095m Gipskeupermit Überlagerungen von 50 bis 141_156_GeoT201100005.qxd 31.03.2011 9:54 Uhr Seite 146 PAGE - 8 ============ 24 Special print: Geomechanics and Tunnelling 4 (2011), No. 2W. Steiner/P. K. Kaiser/G. Spaun á Role of brittle fracture on swelling behaviour: evidence from tunnelling case histories1,150 and 1,290 m,30 mm of heave was observed in the tunnel with 40 to 70 m overburden. In these zones,significant heave was also observed lateral to the tunnel overan approximately 50 m wide zone at the ground surface. Acontinuous horizontal fis- sure through the strong circularconcrete linerwas ob- served at the spring lines [22] and was interpreted as be- ing caused by “horizontal”swelling pressure. 2.4.2Reconstruction of the tunnel sections with heave and observationsIn sections with heave,the tunnel was rebuilt [19] [22] [23] such that the rockbelowthe tunnel could heave in a controlled mannerwithout lifting the entire tunnel. At first,compressible packs were used but latersubstituted by a system of post-tensioned yielding anchors with anchor heads sliding along the anchorrods at a predetermined capacity,providing a resistance that slows down the heave. Once the allowed displacement is exceeded,which is likely after25years,the sections with excessive heave will have to be rebuilt. In the reconstructed section,the observed heave ceased with an applied stress (0.5MPa)to the tunnel floorand 1MPa belowthe footings of the arch. 2.4.3Model of Chienberg Tunnel The Chienberg Tunnel has shallowoverburden,particular- ly nearthe western portal where the tunnel is close to the anhydrite limit,and where the tunnel and the ground heaved in two sections. In the eastern section,the over- burden is 45to 70m. The zone with floorheave in the heading was modelled with 60m overburden. The hori- zontal stresses were estimated as presented in [1] forover- burden. In addition,possible tectonic stresses may also be present from the Alpine orogeny in the east-west trending valley. Hence,a K o =3was assumed. The analysis is based on the same rockmechanics parameters as forthe Belchen Tunnel,as the studies by Schwenk[22] showed that they are comparable.The modelling results are presented in Figure 6 with contours of mean stresses,confinement and spalling limit. The tunnel on the left of Figure 6 was excavated by top heading and bench,and on the right by full face excava- tion. In addition,forcomparison purposes,the rockon the right of the tunnel was assumed to be homogeneous, whereas on the left side,a one meterthick,soft layer,sep- arated by weakdiscontinuities,was introduced. This soft layeris located at the level where sliding micrometers showed heave in this layer(in reality on both sides of the tunnel)and of the ground surface [19] [23]. The heave of the floorin the top heading during the construction stoppage is easily explained by the fracturing belowthe top-invert (Figure 6a)and the substantially re- duced mean normal stresses (<1MPa)in this zone. Water could flowinto this zone and swelling by anhydrite solu- tion and crystallization could take place during the stand- still of the tunnel advance.The analyses indicate that stress redistribution in a homogeneous rockmass (right side of both Figures 6a and 6b)may be insufficient to cause swelling faraway from the tunnel. However,on the left side with a horizontal soft und beträgt etwa ein Fünftel des Tunnelradius. Diese Zone,wo die mittlere Spannung wenigerals 2.5MPa be- trägt,hat eine Mächtigkeit von 1bis 2 m und entspricht derZone,wo Quellung beobachtet wurde. 2.4Chienbergtunnel Der2.293m lange Chienbergtunnel bildet einen Teil der Umfahrung Sissach,Kanton Basel-Landschaft,südöstlich von Basel. Derbergmännische Abschnitt ist 1.443m lang und durchfährt hauptsächlich Gipskeupermit 40 bis 100m Überlagerung und andere mergelige Gesteine des Juras [19]. Derursprüngliche Querschnitt warnahezu kreisförmig mit 6,25m Radius und besaß eine 0,7bis 1,1m starke Innenauskleidung. DerRingschluss hatte spätes- tens nach 450 m oder18 Wochen zu erfolgen [19]. Die Ausschreibung [20] schrieb eine höchstens 275m lange, halbkreisförmige Kalotte vor,die innerhalb von elf Wo- chen ausgebrochen werden sollte,gefolgt von einer105m langen Strosse (vierWochen)und dem Sohlschluss inner- halb von 70 m (drei Wochen). Im Bereich geringerÜberla- gerung (30 bis 70 m)bei km 1.100 im Westen und mit ver- wittertem Fels (Bunte Mergel)wurde ein Pilotstollen von 18 m 2in derKalotte bis in den Bereich von standfestem Fels ausgebrochen,im Westen über350 m Länge,von Osten 130 m. Im mittleren Bereich wurde mit eineroffe- nen TBM ein Pilotstollen aufgefahren. Anschließend er- folgte die Aufweitung derKalotte,die in überbauten Ge- bieten mit einem Rohrschirm gesichert wurde,gefolgt von Strosse und Sohle.Eine Verzögerung ergab sich zwischen 300 und 340 m vom westlichen bergmännischen Portal (Kilometrierung 1.100 bis 1.140 m)als die Kalotte beim Ausbruch derStros- se einstürzte. Die Ortsbrust derKalotte befand sich etwa 200 m weiteröstlich des Einsturzes und warfürsechs Mo- nate nicht zugänglich. Als man diesen Abschnitt wiederbe- treten konnte,hatte sich bei Tunnelmeter1.148 m die Ka- lottensohle um 1,5m gehoben [21]. Unmittelbarnach Fest- stellen dieserHebungen wurde ein Mehrfachextensometer eingebaut [21] Dieserzeigte Verformungen,die bis zum Kreisquerschnitt reichten und 250 mm innerhalb von 45 Tagen erreichten,bis die Messungen abgebrochen werden mussten,da die Strosse (untererTeil des Halbkreises)aus- gebrochen wurde. Die Verformungsrate betrug 7mm/d. 2.4.1Hebungen des Tunnels und um den Tunnel VierMonate nach Einbau des Innengewölbes [22] stellte man nahe beim bergmännischen Westportal (Kilometrie- rung 850 bis 920 m)Hebungen des Tunnels fest (83mm während nahezu zwei Jahren)und nahezu ein Jahrspäter stellte man auch Hebungen an derGeländeoberfläche fest (30 mm innerhalb von acht Monaten). Die konstante He- bungsrate betrug 4,5mm/Monat. Ebenso stellte man in ei- nem zweiten Bereich zwischen 1.040 und 1.180 m des Tunnels mit Überlagerungen von 40 bis 70 m Hebungen von bis zu 30 mm fest. In diesem Bereich wurden auch beidseits übereine Gesamtbreite von 50 m neben dem Tunnel Hebungen festgestellt. In diesen Bereichen bildete sich ein durchgehenderhorizontalerRiss im Innenbeton derUlmen,derals eine Folge eines seitlich wirkenden Quelldrucks [22] interpretiert wurde. 141_156_GeoT201100005.qxd 31.03.2011 9:54 Uhr Seite 148 218 KB – 16 Pages