peter schubert peter sellner harald hölzl florian fasching ... · different faulted rock within...

© 2010 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Geomechanics and Tunnelling 3 (2010), No. 2

Topics

DOI: 10.1002/geot.201000014

One of the main goals of the ground investigation for the KoralmTunnel project was the detailed investigation of the Lavanttal faultsystemwhich lies in the contact between the Koralm crystallineand the neogenic formations of the Lavanttal. The above-groundinvestigation programme (mapping, core drilling, geophysics)was able to deliver the first estimation of the geological, hydro-geological and geotechnical rock conditions of the fault zonemany hundreds of metres thick (fig. 1). The Paierdorf investigationtunnel, which has now been constructed, clarified the thicknessand the internal structure of the fault zone as well as the hy-draulic and mechanical rock properties along the tunnel. Equallyimportant was the practical experience gained by tunnellingthrough the fault zone. The knowledge gained from the Paierdorfinvestigation tunnel will be used in further design work for themechanical driving of this very heterogeneous region of rock.

1 Knowledge of engineering geology gained from theinvestigation tunnel

1.1 Main fault zone

The prognosisImmediately to the East of the neogenic-crystallineboundary, a main fault zone of the Lavanttal fault systemwas forecast, with a thickness of several hundreds of me-tres. In this region, a sequence of softly plastic, fine-grained and coarse-grained cataclasites was expected, al-ternating with less faulted, competent blocks of rock. Thethickness of the cataclasites was supposed to be a few me-tres to many tens of metres. Steeply dipping faults were ex-pected to be dominant, dipping towards and also againstthe advance direction.

The groundwater table in this area is up to 270 mabove the crown of the tunnel. In the main fault zone dryto damp conditions for tunnelling were expected with lo-cally trapped water pockets. In the jointed competent rockand in the boundaries of steep faults trickling wateringress was expected. Isolated water or mud inflows withup to some tens of l/s were also considered possible.

The conditions encounteredThe investigation tunnel encountered the main fault zonebetween approximately station 938 m (km 69.09) and sta-

Eines der wesentlichen Erkundungsziele für das Projekt Koralm-tunnel stellt die detaillierte Erkundung des Lavanttaler Störungs-systems, insbesondere die im Kontaktbereich zwischen dem Koralmkristallin und dem Neogen des Lavanttals verlaufendeHauptstörungszone, dar. Mit den übertägigen Erkundungsarbei-ten (Kartierungen, Kernbohrungen, Geophysik) konnten erste Ein-schätzungen bezüglich der geologischen, hydrogeologischen und geotechnischen Gebirgsverhältnisse dieser mehrere hundertMeter mächtigen Störungszone gewonnen werden (Bild 1). Mitdem nun gebauten Erkundungstunnel (EKT) Paierdorf wurden dieMächtigkeit, der interne Aufbau der Störungszone sowie die hy-draulischen und mechanischen Gebirgsverhältnisse im Bereichder Tunneltrasse abgeklärt. Ebenso wichtig waren die prakti-schen Erfahrungen der tunnelbautechnischen Bewältigung derStörungszone. Die Erkenntnisse aus dem EKT sollen in die weite-ren Planungsschritte für das maschinelle Auffahren dieses sehrheterogenen Gebirgsbereichs einfließen.

1 Ingenieurgeologische Erkenntnisse aus dem EKT1.1 Hauptstörungszone

Die PrognoseUnmittelbar östlich der Grenze Neogen-Kristallin wurdeeine mehrere Hundert Meter mächtige Hauptstörungszo-ne des Lanvanttaler Störungssystems prognostiziert. Indiesem Bereich wurde eine rasche Abfolge von weichplas-tischen feinkörnigen und grobkörnigen Kataklasiten, diesich mit geringer zerlegten, kompetenteren Gesteinsschol-len abwechseln, erwartet. Die Mächtigkeit der Kataklasitesollte wenige Meter bis mehrere Zehnermeter betragen.Dominierend wurden steil stehende Störungen, die so-wohl in als auch gegen die Vortriebsrichtung einfallen,prognostiziert. Wiederholt sollten auch schieferungsparal-lele Scherzonen mit bis zu mehreren Metern mächtigenKataklasiten auftreten.

Das Bergwasserdruckniveau beträgt in diesem Be-reich bis zu ca. 270 m über Tunnelfirste. In der Hauptstö-rungszone wurden vorwiegend trockene bis bergfeuchteVortriebsverhältnisse erwartet. Im Bereich von stark ge-klüfteten kompetenten Gesteinslagen sowie in den Rand-zonen steil stehender Störungen wurden rinnende Wasser-zutritte prognostiziert. Einzelne Wasser- oder Schlamm-

Geomechanical knowledge gained from the Paierdorfinvestigation tunnel in the section through theLavanttal main fault zone

Geomechanischer Wissenszuwachs durch denErkundungstunnel Paierdorf im Abschnitt derLavanttaler Hauptstörungszone

163

Peter Schubert Peter SellnerHarald Hölzl Florian Fasching

164 Geomechanics and Tunnelling 3 (2010), No. 2

P. Schubert/H. Hölzl/P. Sellner/F. Fasching · Geomechanical knowledge gained from the Paierdorf investigation tunnel in the section through the Lavanttal main fault zone

tion 1425 m (km 68.60). Along the tunnel alignment, theoverall thickness was about 490 m.

After an eclogite shear body approx. 25 m thick a veryheterogeneous sequence of faulted rock was met. Thisfault zone consists of cataclasites of various types whichalternate with shear bodies and fractured zones of schistgneiss. A tendency was discovered of increasing cataclasisin the advance direction (eastward) and thus increasinglyfine-grained cataclasites. The rock was predominantly dryto damp with pellicular water.

1.2 Characterisation of the faulted rock

– Fine-grained cataclasite (fK): “Fine-grained cataclasite” (Fig. 2a) describes mixturesof clay to gravel fractions with a dominant content ofthe fine-grained fraction. Less significant are small in-tercalated blocks. The intensive shearing of the parentrock and slickenside surfaces are also typical. Shearbodies with a size of a few mm to a few dm are alignedparallel to the cleavage of the parent material. Withinthese fine-grained cataclasites, persistent shear surfacesare encountered.

– Compacted fine-grained cataclasite (kfK):“Compacted fine-grained cataclasite” (Fig. 2b) repre-sents a special type within the “fine-grained catacla-sites”, which has been hardened by tectonic processes.The mechanical properties are similar to the fracturedzone, but with much lower friction angles on accountof the intensive shearing.

– Coarse-grained cataclasites (gK):The term “coarse-grained cataclasites” (Fig. 2c) de-scribes rock with a predominantly sandy to gravely ma-

einbrüche bis zu einigen 10er l/s wurden als möglich er-achtet.

Die angetroffenen VerhältnisseMit dem Erkundungstunnel wurde diese Hauptstörungs-zone zwischen ca. Station VO 938 m (km 69,09) und Sta-tion VO 1425 m (km 68,60) durchörtert. Im Bereich derTunneltrasse beträgt die Gesamtmächtigkeit ca. 490 m.

Nach einem ca. 25 m mächtigen Eklogit-Scherkörperwurde ab ca. Station VO 965 m (km 69,06) eine sehr hete-rogene Abfolge aus verschiedensten Störungsgesteinenaufgefahren. Diese Störungszone besteht aus Kataklasitenunterschiedlicher Ausprägung, die sich mit Scherkörpernund Zerrüttungszonen aus Schiefergneisen abwechseln.Tendenziell wurde in Vortriebsrichtung (Richtung Osten)eine zunehmende Kataklase festgestellt und damit zuneh-mend feinkörnigere Kataklasite. Das aufgefahrene Gebir-ge war vorwiegend trocken bis bergfeucht.

1.2 Charakterisierung der Störungsgesteine

– Feinkörniger Kataklasit (fK): Als „Feinkörnige Kataklasite“ (Bild 2a) werden Gemi-sche der Ton- bis Kiesfraktion mit dominierenden An-teilen der Feinkornfraktion beschrieben. Untergeord-net sind auch kleine Blöcke eingelagert. Typisch fürdiese Störungsgesteine sind die intensive Zerscherungdes Ausgangsgesteins und allseitig Glanzharnischflä-chen. Scherkörper mit wenigen mm bis wenigen dmGröße sind parallel zur Schieferung des Ausgangsge-steins eingeregelt. Innerhalb dieser feinkörnigen Kata-klasite sind auch Scherbahnen mit großer Persistenzausgebildet.

1500 m

1000 m

500 m

0 m

E1500 m

1000 m

500 m

0 m

W

45+000,00 50+000,00 55+000,00 60+000,00 65+000,00 70+000,00

Steiermark Kärnten

EKSLeibenfeld

EKSPaierdorf

Fig. 1. Geological profile of the KoralmTunnel and detail of the Lavanttal mainfault (forecast)Bild 1. Geologischer Längenschnitt desKoralmtunnels und Detail der LavanttalHauptstörung (Prognosemodell)

165Geomechanics and Tunnelling 3 (2010), No. 2


trix and intercalated blocks. The blocks are mostlyarranged chaotically and have diameters in the range ofdm. The blocks make up a proportion of the volume ofabout 50 %. The structure and texture of the parentrock is no longer recognisable.

– Fractured zones (Z):Fractured zones consist of fragmented crystallinerocks, which are mostly sheared parallel to the cleavage(Fig. 2d). The size of the jointed bodies is mostly in therange of some centimetres to a few decimetres. Thetexture of the parent rock is mostly preserved.

– Kompaktierter Feinkörniger Kataklasit (kfK):Der „Kompaktierte Feinkörnige Kataklasit“ (Bild 2b)stellt einen Sondertyp innerhalb der „Feinkörnigen Ka-taklasite“ dar, der durch tektonische Kompaktionsvor-gänge verfestigt wurde. Die mechanischen Eigenschaf-ten sind ähnlich der Zerrüttungszone, jedoch ist vondeutlich geringeren Trennflächenreibungswinkeln auf-grund der intensiven Zerscherung auszugehen.

– Grobkörnige Kataklasite (gK):Unter dem Begriff „Grobkörnige Kataklasite“ (Bild 2c)wird ein Gebirge mit einer vorwiegend sandig bis kiesi-

Fig. 2. Photos of the face: a) fine-grained cataclasite (lowerpartial area), b) compacted fine-grained cataclasite, c)coarse-grained cataclasite (lower partial area), d) fracturedzone (upper partial area), e) Blocks (upper partial area)Bild 2. Ortsbrustfotos: a) Feinkörniger Kataklasit (untereTeilfläche), b) Kompaktierter Feinkörniger Kataklasit“, c)Grobkörniger Kataklasit (untere Teilfläche), d) Zerrüttungs-zone (obere Teilfläche), e) Blöcke (obere Teilfläche)

d)

b)

c)

e)

a)



– Blocks (B):The term blocks denotes all shear bodies, which havean average diameter of more than one metre, are sur-rounded by a cataclastic matrix and show high rockstrengths in relation to the matrix. Larger blocks occureither isolated or as localised accumulations of manyblocks. The edge surfaces of these blocks representpreferred shear surfaces (Fig. 2e).

– Slightly to moderately sheared rock (F):The shear lenses up to a few tens of metres thick arepredominantly built up of laminated to bedded foliatedmica schists and gneisses. The rock is moderately tostrongly jointed with some shear zones orientated par-allel to the cleavage with a thickness in the range of cmto many dm.

1.3 Internal structure of the fault zone

The internal structure of the fault zone can be illustratedin a geological profile using the differentiation of the fault-ed rocks described above (Fig. 3). The distribution of thedifferent faulted rock within the entire main fault zone isapproximately: 27 % Z, 21 % F, 21 % fK, 18 % gK, 8 % kfK,5 % B.

2 Significance of the results for geomechanical design

Very difficult tunnelling conditions were expected in thearea of the Lavanttal main fault zone. The geomechanicalmodelling forecast heavy squeezing conditions and long-term deformation behaviour with large displacements.This led to the development of a support concept usingsupports with deformation slots and steel deformation el-ements in the vault, or where required in the invert in con-nection with increased rock bolting.

gen Matrix und eingelagerten Blöcken zusammenge-fasst. Die Blöcke sind meist chaotisch angeordnet undhaben einen Durchmesser im Dezimeterbereich. DieBlöcke haben einen Volumenanteil von etwa 50 %. DieStruktur und Textur des Ausgangsgesteins ist nichtmehr erkennbar.

– Zerrüttungszone (Z):Zerrüttungszonen bestehen aus stark zerlegten undmeist intensiv schieferungsparallel zerscherten kris-tallinen Gesteine (Bild 2d). Die Kluftkörpergröße liegtvorwiegend im Bereich von wenigen Zentimetern biswenigen Dezimetern. Die Textur des Ausgangsgesteinsist meist erhalten.

– Blöcke (B):Mit dem Begriff Blöcke werden alle Scherkörper zu-sammengefasst, die mittlere Durchmesser von mehr alseinem Meter aufweisen, von einer kataklastischen Ma-trix umgeben sind und im Verhältnis zur Matrix hoheGesteinsfestigkeiten aufweisen. Größere Blöcke tretenentweder isolierte oder als lokale Anhäufung von meh-reren Blöcken auf. Die Begrenzungsflächen dieser Blö-cke stellen bevorzuge Scherhorizonte dar (Bild 2e).

– Mäßig bis gering zerlegter „Fels“ (F):Die bis zu wenige Zehnermeter mächtigen Scherlinsenwerden vorwiegend von plattig bis bankig geschieferterGlimmerschiefern und Gneisen aufgebaut. Das Gebir-ge ist mäßig bis stark geklüftet mit bereichsweise ge-ringmächtigen, schieferungsparallel orientierten Scher-zonen mit Mächtigkeiten im cm- bis mehrere dm-Be-reich.

1.3 Interner Aufbau der Störungszone

Mit der oben angeführten Differenzierung der Störungsge-steine kann am geologischen Längenschnitt der interne

Fig. 3. Excerpt from the geological profile from the geological documentation for construction, approx. station VO 900 m to1450 m; categorisation of a fault type (example)Bild 3. Ausschnitt aus dem geologischen Längenschnitt der baugeologischen Tunneldokumentation ca. Station VO 900 mbis 1450 m; Intergliederung eines Störungstyps (exemplarisch)



The investigation tunnel consists of the top headingof the later railway tunnel and was mostly driven throughthe Lavanttal main fault with a temporary top heading in-vert. Fig. 4 shows a typical support scheme and deforma-tion elements representative for the fault section from sta-tion 1180.

2.1 The conditions encountered

Extensive geotechnical measurements were made duringthe driving of the tunnel. In addition to the usual process-ing of the results, vector-oriented evaluations were per-formed to forecast stiffness contrasts. This method deliv-ers information about the rock behaviour at the face andenables prompt reaction to adapt the support measuresduring the drive.

Back analysis of shotcrete utilisation was also per-formed as a further decision-making aid for the use of de-formation elements. Deformation elements were usedfrom a limit strain of approx. 8 ‰ or a utilisation of ap-prox. 80 % in the support shotcrete.

The settlements in the top heading reached a maxi-mum of approx. 200 mm in the section with the yieldingsupport system (Fig. 5). This was a surprise compared tothe assumptions from the design phase, because muchhigher values of displacement had been expected.

Aufbau der Störungszone dargestellt werden (Bild 3). DieVerteilung der verschiedenen Störungsgesteine innerhalbder gesamten Hauptstörungszone beträgt etwa: 27 % Z,21 % F, 21 % fK, 18 % gK, 8 % kfK, 5 % B.

2 Erkenntnisse zur geomechanischen Planung

Im Bereich der Lavanttaler Hauptstörungszone wurdensehr schwierige Vortriebsverhältnisse erwartet. Aus dergeomechanischen Modellvorstellung wurden überwie-gend tiefreichende Überbeanspruchungen durch span-nungsbedingte Entfestigung bzw. Plastifizierung des Ge-birges und lang anhaltendes Verschiebungsverhalten mitgroßen Verschiebungsbeträgen abgeleitet. Dies führte zurEntwicklung eines Stützmittelkonzepts mit nachgiebigemAusbau mit Verformungsschlitzen und Stahl-Deformati-onselementen im Gewölbe bzw. bedarfsweise in der Ka-lottensohle in Verbindung mit einer verstärkten Anke-rung.

Der Erkundungstunnel besteht aus der Kalotte desspäteren Hauptbauwerks und wurde in der LavanttalerHauptstörung überwiegend mit temporärer Kalottensohleausgeführt. Bild 4 zeigt eine typisches Stützmittelschemaund Deformationselemente repräsentativ für den Stö-rungsabschnitt ab Station 1180:

Swietelsky Tunnelbau GmbH & CoKGInnsbrucker Bundesstraße 61

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MIT SICHERHEITDURCH

DEN BERG



2.2 Geomechanical behaviour of face and sides

In most parts of the fault zone, it was necessary to sub-di-vide the face excavation into several steps and providesupport with full-surface reinforced shotcrete and facebolting (see Fig. 5, bottom). Tube forepoling with lengthsof up to 4 m were used in most places.

A diagram of the longitudinal profile of the fault (seeFig. 5, bottom) shows that the support measures and thenumber or partial areas become less towards the East. Thereason for this is: in the first stretch predominantly coarse-grained, only slightly cohesive cataclasites (gK) were en-countered and then further eastward the proportion offine-grained cataclasites (fK) increased (Fig. 6). The cohe-sion and stability of the rock also increased with the in-crease of fine-grained content.

At each transition from individual fault branches tocompetent stretches of rock the number of partial areasrequired and the support measures to support the faceboth increased considerably.

2.3 Estimation of the rock parameters from the actualbehaviour

A section of the main fault zone between TM 1180 andTM 1330 where deformation elements had been used forsupport was selected for this investigation. The averagesettlement of the crown in this section was approx.150 mm. The rock parameters were determined by backanalysis using the convergence confinement method asdescribed below.

The in-situ pre-displacements were estimated usingthe measured data evaluation software GeoFit (Fig. 7).The analytical model of the GeoFit curve-fitting pro-gramme also includes the displacements in front of theface which had not been recorded by the geotechnicalmeasurements.

The support resistance activated by the shotcrete lin-ing could be derived from the characteristic curve of thedeformation elements. Assuming that interlocking be-tween shotcrete and rock is insignificant in the fault zone,

2.1 Die angetroffenen Verhältnisse

Im Zuge des Tunnelvortriebs wurden umfangreiche geo-technische Messungen durchgeführt. Neben der üblichenAufbereitung der Messergebnisse mittels räumlichen Ver-schiebungsentwicklungen durch Zustandslinien wurdenvektororientierte Auswertungen zur Prognose von Steifig-keitskontrasten herangezogen. Diese Methode liefert Hin-weise über das Gebirgsverhalten vor der Ortsbrust und er-möglicht zeitnahes Reagieren zurAnpassung der Stützmit-tel während des Vortriebs.

Als weitere Entscheidungshilfe für den Einsatz vonDeformationselementen wurde die Rückrechnung derSpritzbetonauslastung herangezogen. Dabei wurden ab ei-ner Grenzstauchung von ca. 8 ‰ bzw. einer Auslastungvon ca. 80 % der Spritzbetonsicherung Deformationsele-mente zur Anwendung gebracht.

Die Setzungen in der Kalotte zeigen maximal ca.200 mm in den Bereichen mit nachgiebigem Ausbausys-tem (Bild 5). Gegenüber der Erwartung aus der Pla-nungsphase bedeutet dies eine wesentliche Erkenntnis,da wesentlich höhere Verschiebungswerte erwartet wur-den.

2.2 Geomechanisches Verhalten an Brust und Laibung

In überwiegenden Teilen der Störung war es erforderlich,die Ortsbrust in Teilflächen zu unterteilen und mittels ei-ner vollflächigen, bewehrten Spritzbetonsicherung undmassiver Ortsbrustankerung zu stützen (vgl. Bild 5, unte-ren). Als vorauseilende Sicherung wurden überwiegendRohrspieße mit Längen bis 4m eingesetzt.

Eine Darstellung über den Längenschnitt der Störungzeigt (vgl. Bild 9, unten), dass gegen Osten die Stützmittelund der Anzahl der Teilflächen geringer werden. DerGrund dafür ist, dass im Anfangsbereich vorwiegend grob-körnige, nur gering kohäsive Kataklasite (gK) angetroffenwurden, und dann gegen Osten derAnteil an feinkörnigenKataklasiten (fK) zunahm (Bild 6). Mit zunehmendemFeinkornanteil nahm auch die Kohäsion und Stabilitätdes Gebirges zu.

Fig. 4. Standard cross-section of the investigation tunnel in the stretch from TM 1170 to TM 1350 and detail of the deforma-tion elements usedBild 4. Regelquerschnitt des Erkundungstunnels in Abschnitt TM 1170 bis TM 1350 und Detail der verwendeten Deforma-tionselemente



a radial pressure was calculated from the normal force ofthe deformation elements using the formula for thin-walled pressure vessels. The contribution of the rock bolt-ing to the support resistance was taken into accountthrough the approximation that the bearing capacity of ananchor related to the anchor pattern corresponds to thesupport resistance. There are various references to this inthe literature, including Hoek [2].

Knowledge of the convergence confinement methodcan be postulated here. The convergence confinementmethod is based on a 2D model with plain strain condi-tion and an elasto-plastic constitutive law, in this caseMohr-Coulomb. The third dimension is taken into ac-count through the selection of the pre-displacement afterwhich the support resistance is activated.

The procedure for the back analysis is as follows(Fig. 8): a selected set of rock parameters E, c and φ givesa ground reaction curve and a maximum displacement atthe boundary of the excavation in the unsupported condi-

An den Übergängen der einzelnen Störungsäste zukompetenteren Gebirgsabschnitten stiegen in der Regelsowohl die Anzahl der erforderlichen Teilflächen als auchdie Stützmittel zur Ortsbrustsicherung deutlich an.

2.3 Abschätzung von Gebirgskennwerten aus demtatsächlichen Verhalten

Für diese Untersuchung wurde jener Abschnitt der Haupt-störungszone gewählt, der mit den Deformationselemen-ten ausgebaut wurde, das ist zwischen TM 1180 und TM1330. In diesem Abschnitt betrug die Firstsetzung im Mit-tel ca. 150 mm. Die Ermittlung der Gebirgskennwerte er-folgte mittels Rückrechnung mit dem in der Folge be-schriebenen Kennlinienverfahren.

Die Vorverschiebungen in der Natur wurden mithilfeder Messdatenauswertesoftware GeoFit abgeschätzt (Bild7). Das analytische Modell, das hinter dem Curve-fittingdes Programms GeoFit steht, inkludiert auch die Ver-schiebungen vor der Ortsbrust, die nicht durch die geo-technischen Messungen erfasst werden.

Der Ausbauwiderstand, der durch die Spritzbeton-schale aktiviert wurde, konnte in diesem Fall aus der Cha-rakteristik der Deformationselemente abgeleitet werden.Mit der Annahme dass die Verzahnung zwischen Spritz-beton und Gebirge in der Störung gering ist, wurde mit deraufnehmbaren Normalkraft der Deformationselementemittels der Kesselformel ein Radialdruck errechnet. DieKomponente der Ankerung wurde durch die Annäherungberücksichtigt, wonach die Tragkraft eines Ankers bezo-gen auf das Ankerraster bei voller Ausnutzung etwa einemAusbauwiderstand entspricht. Hierzu gibt es verschiedeneLiteraturhinweise, u.a. auch bei Hoek [2].

Das Kennlinienverfahren darf an dieser Stelle als be-kannt vorausgesetzt werden. Wegen der einfacheren

Fig. 5. Crown settlement in the section of the main fault and support measures at the faceBild 5. Firstsetzung im Abschnitt der Hauptstörung und Sicherungsmittel im Bereich der Ortsbrust

Korngrößenverteilung

0

10

20

30

40

50

60

Proben

Ma

ss

en

pro

zen

t

Kies

Sand

Schluff

Ton

Linear (Kies)Linear (Sand)

Linear (Schluff)

Linear (Ton)

Vortriebsrichtung

1 2 3 4 5 6 7

Fig. 6. Grain size distribution of cataclasite samples fromthe Lavanttal main faultBild 6. Korngrößenverteilung von Kataklasitproben derLavanttaler Hauptstörung



tion umax. This corresponds to a relative plastic radius Pr = rp/ro. According to Hoek et al [3], a ratio uo/umax de-rives from Pr. For a certain umax this gives a pre-displace-ment uo.

The measured displacements, the estimation of thepre-displacement and the level of the support resistanceare known from the measurement data. The analyticalmodel must now be in equilibrium taking steps 1 and 2 in-to account and the ratio uo/um determined from the mea-sured data. For the characteristic tunnel section betweenTM 1200 and TM 1300, the input values collected inTable 1 were selected for the back-analysis.

2.4 Results of the back analysis:

With the method described here there is a relatively largerange of possible combinations of E, C and φ [4]. Thecombinations are limited by the relationship between pre-displacement and the measured displacement (in this caseabout 1:1) and the plausible range for the friction angle(Fig. 9). The latter was derived from the grain size distrib-ution and the consideration of the proportion of blocks.The most plausible combination is shown in Table 2.

The entire displacement behaviour in this sectionseems to represent a mixture of the most variable mechan-ical components of the core fault zone. Individual blocksor also cataclasite zones have not had a major effect on thedisplacements in the tunnel section with yielding ele-ments. It is therefore appropriate to assume mixed para-meters as a “tectonic melange” for further design phases.The individual consideration of the components fine-grained, coarse grained cataclasites, fractured zones andblock does not seem to be relevant in practice.

The results of the back analysis with the convergenceconfinement method were checked with a 2D-Flac model.In contrast to the convergence confinement method, theactual shape of the tunnel was modelled and the anchorswere explicitly modelled. The Mohr-Coulomb constitutivelaw, the initial stress condition and the amount of stressrelease in front of the face were selected similar to theconvergence confinement method. It could be shown thatthe results for stress-displacement behaviour, support util-isation and plastic zone are largely identical.

Handhabung und Möglichkeit derAdaptierung auf die Be-dürfnisse der Rückrechnung wurde eine Excel-Vorlageverwendet. Das Kennlinienverfahren beruht auf einemzweidimensionalen Modell mit ebenem Dehnungszustandund elasto-plastischem Materialgesetz, in diesem FallMohr-Coulomb. Die dritte Dimension wird durch dieWahl einer Vorverschiebung berücksichtigt, nach welcherder Ausbauwiderstand aktiviert wird.

Die Vorgangsweise der Rückrechnung ist wie folgt(Bild 8): Für einen gewählten Satz von Gebirgskennwer-ten E, c und φ ergeben sich eine Gebirgskennlinie und ei-ne maximale Verschiebung des Ausbruchsrands im unge-stützten Zustand umax. Dem entspricht auch ein relativerplastischer Radius Pr=rp/ro. Gemäß Hoek et al [3] leitetsich von Pr ein Verhältnis uo/umax ab. Bei einem bestimm-ten umax ergibt sich also eine Vorverschiebung uo.

Aus den Messdaten sind die gemessenen Verschie-bungen, die Abschätzung der Vorverschiebung und dieHöhe des Ausbauwiderstands bekannt. Das analytischeModell muss nun unter Berücksichtigung der Schritte 1und 2 und dem aus den Messungen ermittelten Verhältnisvon uo/um den Gleichgewichtszustand ergeben. Für dencharakteristischen Tunnelabschnitt zwischen TM 1200und TM 1300 wurden die in Tabelle 1 zusammengefasstenEingabegrößen für die Rückrechnung gewählt.

2.4 Ergebnisse der Rückrechnung:

Mit der angeführten Methodik gibt es in der Regel eine re-lativ große Bandbreite von möglichen Kombinationenzwischen E, C und φ [4]. Die Kombinationen werden ein-geschränkt durch das Verhältnis zwischen Vorverschie-bung und gemessener Verschiebung (in diesem Fall etwa1:1) und den plausiblen Bereich für den Reibungswinkel(Bild 9). Zu letzterem dienten eine Analyse der Kornver-teilung und die Berücksichtigung von Blockanteilen. Dieplausibelste Kombination ist in Tabelle 2 angeführt.

Das gesamte Verschiebungsverhalten repräsentiertin diesem Abschnitt offenbar eine Mischung aus den un-terschiedlichen mechanischen Komponenten der Stö-rungskernzone. Einzelne Blöcke oder auch Kataklasitzo-nen haben sich in dem Bauschnitte mit Deformationsele-

Fig. 7. Estimation of the pre-displacements with GeoFitBild 7. Abschätzung der Vorverschiebung mit GeoFit

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

0 100 200 300 400 500 600 700

radial displacement [mm]

sup

por

t p

ress

ure

[M

Pa

] an

d r

p/r

o

0

0,55

rPeu

u 15.0

max

0

31 −=

Pr

U0 UmUmaxpa

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

0 100 200 300 400 500 600 700

radial displacement [mm]

sup

por

t p

ress

ure

[M

Pa

] an

d r

p/r

o

0

0,55

rPeu

u 15.0

max

0

31 −= rPe

u

u 15.0

max

0

31 −=

PrPr

U0 UmUmaxpa

Fig. 8. Essential components of the convergence confine-ment method and the method of back analysisBild 8. Wesentliche Komponenten des Kennlinienverfah-rens und der Methodik der Rückrechnung



3 Experience gained from construction

Because of the very low rock strength the excavation wasperformed using a tunnel excavator and round lengths ofbetween 1.0 and 1.3 m. The face had to be dug in partialareas and was supported with full-surface, reinforcedshotcrete and face bolts.

Normally six to eight partial areas and two face an-chors (12 m long self-drilling grouted anchors) in eachpartial area was sufficient. The sidewall was supportedwith 30 cm shotcrete and two layers of mesh, eleven radi-ally arranged self-drilling grouted anchors and a tempo-rary top heading invert.

Initially attempts were made to react to different rockconditions by varying the invert closure distance. As theadvance progressed inside the main fault, increasing load-ing of the support was noticed. Systematic cracking in thecircumferential direction of the lining through the punch-ing of the top heading into the ground was observed as aresult of overloading of the shotcrete.

Subsequently yielding support was implemented(Fig. 10). This consisted of two deformation slots in thetop heading with single-tube steel yielding elements. Im-mediately after the introduction of the yielding elements,no more cracks or damage to the tunnel lining were ob-served. The introduction of the deformation elements in-creased the displacements but at the same time became

menten nicht sehr ausgeprägt in den Verschiebungen nie-dergeschlagen. Deshalb ist es sinnvoll, für weitere Projek-tierungsschritte Mischkennwerte für eine „tektonischeMelange“ anzunehmen. Eine Einzelbetrachtung derKomponenten feinkörniger, grobkörniger Kataklasit, Zer-rüttungszone und Block ist offenbar hier nicht praxisrele-vant.

Die Rückrechnungsergebnisse mit der Kennlinienme-thode wurden mit einem 2D-Flac-Modell überprüft. Da-bei wurde abweichend vom Kennlinienverfahren die tat-sächliche Form des Tunnels gewählt und die Anker expli-zit modelliert. Das Materialgesetz Mohr-Coulomb, derprimäre Spannungszustand und das Ausmaß der Vorent-spannung wurde analog zum Kennlinienverfahren ge-wählt. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Ergebnissesowohl hinsichtlich Spannungs-Verschiebungsverhalten,Ausbaubelastung und plastischer Zone weitgehend iden-tisch sind.

3 Erkenntnisse aus der Bautechnischen Umsetzung

Aufgrund der sehr geringen Gebirgsfestigkeit erfolgte derVortrieb mittels Tunnelbagger mit Abschlagslängen zwi-schen 1 und 1,3 m. Die Ortsbrust musste in Teilflächen ge-öffnet werden und wurde mittels einer vollflächigen, be-wehrten Spritzbetonsicherung und Ortsbrustankerung ge-stützt.

In der Regel wurde mit sechs bis acht Teilflächen undjeweils zwei Ortsbrustankern (12 m lange Selbstbohrinjek-tionsanker) pro Teilfläche das Auslangen gefunden. DieLaibung wurde mit 30 cm Spritzbeton und zwei LagenBaustahlgitter, elf radial versetzten Selbstbohrinjektions-anker sowie einer temporären Kalottensohle gestützt.

Mittels Variation der Sohlschlussdistanz der tempo-rären Kalottensohle wurde anfangs versucht, auf unter-schiedliche Gebirgsverhältnisse zu reagieren. Mit zuneh-

Table 1. Data basis for the back analysis from observation during constructionTabelle 1. Grunddaten für die Rückrechnung aus der Beobachtung während des Baus

Characteristic crown settlement 150 mmCharakteristische Firstsetzung

Support resistance of the shotcrete lining (determined from the support resistance of the deformation 0.22 MPaelements under low compression)Ausbauwiderstand der Spritzbetonschale (Ermittelt aus dem Ausbauwiderstand der Deformations-elemente bei geringer Kompression)

Support resistance through anchoring 0.24 MPaAuswiderstand durch die Ankerung

Total activated support resistance 0.46 MPaSumme aktivierter Ausbauwiderstand

Ratio of pre-displacement to measured displacement approx. 150:150Verhältnis Vorverschiebung zu gemessener Verschiebung

Back Analysis for E=150MPa




0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1,20

1,40

1,60

15 20 25 30 35

Co

he

sio

n [M

Pa]

Friction Angle [º]

0.75 : 1 u0/umes 1 : 1

u0/umes

Plausible Values

Fig. 9. Possible combinations of parameters and the areawith plausible valuesBild 9. Mögliche Parameterkombinationen und Bereich mitplausiblen Werten

Table 2. Plausible rock parameters (from back analysis)Tabelle 2. Plausible Gebirgskennwerte (aus Rückrechnung)

φ [°] 28°

c [MN/m2] 0.27

E [MN/m2] 200

γ [kN/m2] 23



more uniform. The degree of utilisation of the shotcrete,taking the geotechnical conditions into account, was re-duced to approx 25 % through the introduction of yieldingelements.The chosen type of elements can bear a maxi-mum of about 1.0 MN per running metre (Fig. 11).

It was often noticed on site that the mining crewtended to make the support as stiff as possible when low-strength rockwas encountered. If (locally restricted) insta-bility was observed (Fig. 12)the crews demanded to closethe deformation slots in the vicinity with shotcrete. Partic-ularly with the construction of shotcrete lining with defor-mation slots, psychological persuasion is often necessaryin order to ensure trust in the support concept.

It is very advantageous to start with the installation ofdeformation slots at an early stage while still passingthrough competent rock, so that the increasing deforma-tions in the transition to the softer rock can be borne bythe shotcrete lining without damage. Otherwise, largestresses are caused in the lining in the transition region,which lead to shotcrete failures before the section of the

mendem Vortrieb innerhalb der Hauptstörung wurde zu-nehmend eine steigende Beanspruchung des Ausbaus fest-gestellt. Systematische Rissbildungen in Umfangsrichtungder Schale durch das Absinken bzw. Einstanzen der Kalot-te in das Gebirge sowie in Längsrichtung zufolge Überbe-anspruchung des Spritzbetons wurden beobachtet.

In weiterer Folge wurde ein nachgiebiger Ausbau aus-geführt (Bild 10). Dieser bestand aus zwei Verformungs-schlitzen in der Kalotte mit einteiligen Stauchelementen.Unmittelbar nach dem Einsatz der Stauchelemente konn-ten keine Risse bzw. Schädigungen der Tunnelschale mehrbeobachtet werden. Das Verformungsverhalten insgesamtwar zwar quantitativ größer, jedoch qualitativ über dieLängsrichtung gesehen gleichmäßiger. Der Auslastungs-grad der Spritzbetonschale unter Beachtung der geotech-nischen Randbedingungen wurde durch den Einsatz derStauchelemente, die bei dieser Ausführung maximal etwa1,0 MN pro Laufmeter aufnehmen können, auf ca. 25 %reduziert (Bild 11).

Häufig wird vor Ort beobachtet, dass bei Gebirge mitgeringer Festigkeit die ausführenden Mannschaften eherdazu neigen, den Ausbau möglichst steif zu gestalten. Wer-den (lokal begrenzte) Instabilitäten beobachtet (Bild 12),so wird der Wunsch, die im Nahbereich der Instabilitätenvorhandenen Verformungsschlitze mit Spritzbeton zu ver-schließen oftmals sehr stark. Insbesondere bei derAusfüh-rung von Spritzbetonschalen mit Schlitzen und Stauchele-menten ist daher oftmals auch etwas psychologischeÜberzeugungsarbeit erforderlich, um das Vertrauen in dasStützmittelkonzept zu sichern.

Es ist von großem Vorteil, bereits im guten Gebirgeden Einsatz von Verformungsschlitzen und Stauchele-menten rechtzeitig zu starten, damit die sprunghaft anstei-genden Verschiebungen im Übergangsbereich zum wei-cheren Gebirge von der Spritzbetonschale zerstörungsfreiaufgenommen werden können. Andernfalls finden imÜbergangsbereich große Zwängungen in der Schale statt,die im Bereich vor den Verformungsschlitzen zu Bruchbil-dungen im Spritzbeton führen. Selbstverständlich giltauch, dass das Ende des nachgiebigen Ausbaus erst im gu-ten Gebirge erfolgen sollte und auch hier ein Kopfschutzausgeführt werden sollte. Die erforderlichen Einbindelän-gen der Verformungsschlitze können mit ca. einem Tun-neldurchmesser abgeschätzt werden.

Fig. 12. Locally restricted crown collapse when excavating asteeply standing faultBild 12. Lokal begrenzter Überbruch beim Anfahren einersteil stehenden Störung

Fig. 10. Support in the fault zone with deformation ele-mentsBild 10. Ausbau in der Störung mit Deformationselementen

Stress intensity - support resistance

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

0 2 4 6 8 10 12 14

days

stre

ss in

ten

sity

0,000

0,050

0,100

0,150

0,200

0,250

0,300

0,350

0,400

0,450

pi_

act

[M

Pa]

stress intensity factor piact [MPa]

25% Auslastung

Fig. 11. Degree of utilisation of the tunnel lining with andwithout the installation of yielding elementsBild 11. Auslastungsgrad der Tunnelschale mit und ohneEinsatz von Stauchelementen


deformation slots. It naturally follows that the end of theuse of yielding support should also be continued intocompetent rock for a length of about one tunnel diameter,and that head protection should be carried out here aswell.

References

[1] Sellner, P.J.: Prediction of displacements in tunnelling.Ph.D. dissertation. Graz University of Technology, 2000.

[2] Hoek, E.: Support of very weak rocks associated with faultsand shear zones. International Symposium on Rock Supportand Reinforcement Practice in Mining. Kalgoorlie, Australia,1999.

[3] Hoek, E., Carranza-Torres, C., Diederichs, M. and Corkum,B.: Kersten Lecture: Integration of geotechnical and structur-al design in tunnelling. Proceedings University of Minnesota56th Annual Geotechnical Engineering Conference. pp.1–53. Minneapolis, 2008.

[4] Dinis, J.C.C.: Assessment of Rock Mass Parameters basedon the Monitoring Data from the Koralm Investigations Tun-nels. Master Thesis at the Engineering Faculty of the PortoUniversity, July 2009.

3G Gruppe Geotechnik Graz ZT GmbhTriester Straße 478a8055 Graz-SeiersbergAustria

Dipl.-Ing. Florian [email protected]

Dipl.-Ing. Dr.techn. Peter [email protected]

Dipl.-Ing. Harald HölzlGeoconsult ZT GmbHHölzlstraße 5A-5071 [email protected]

Dipl.-Ing. Dr. Peter SchubertiC consulenten ZT GesmbHZollhausweg 1 A-5101 BergheimAustria [email protected]

11th International Conference

UNDERGROUND CONSTRUCTIONS PRAGUE 2010

Sponsored by ITA-AITES

Czech Tunnelling Association ITA-AITES holds

Conference date: 14th through 16th June 2010Conference venue: Clarion Congress Hotel PragueMain topic: TRANSPORT AND CITY TUNNELS

Topics:1. Design and implementation of underground constructions

– conventional tunnelling and cut-and-cover tunnels2. Design and implementation of underground constructions

– mechanised tunnelling3. Geotechnical investigation, monitoring and risk management4. Modelling underground structures5. Equipment, safety and maintenance of underground structures6. Contractual relationships, funding and insurance for

underground structures

Other parts of the technical programme:Keynote LecturesTechnical ExhibitionPoster SectionTechnical Excursion

Registration of participants will start from the beginning of November2009. Sending of completed papers no later than 15th January 2010

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