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Collaborating Authors
ABSTRACT: The main part of the Strassen-Amlach Hydroelectric Power Scheme of TIWAG - currently under construction in Austria's East-Tirol - is the 22-km-long head race pressure tunnel. The tunnel first cuts across an approximately 14-km-long section of massive dolomitic limestone in the "Lienzer Dolomiten", followed by the tectonically stressed layers of the Calcareous Alps and the crystalline basis of the Gail Valley. In May 1985 two full-face tunnelling machines bore diameter 3.90 m started from two edits in upward direction. The TBM-driving for the extremely long Tunnel section in the "Norian" dolomite, 13,7 km long, was completed within 19 months at an average advance rate of 36 m per working day. In the second section, 8.2 km long, where the geological conditions often changed a geological accident accured. Water, mud and rock material rushing in after a gypsum-karst system of the "Raibler series" had unexpectedly been encountered, twice filled up the tunnel over a length of 65 m and also buried the tunnelling machine so that all tunnel driving work was stopped for 10 months. The paper describes the geological conditions, the basic data of the tender, the experience gathered during tunnel driving as well as the measures taken in order to recover the buried tunnelling machine and to cope with the collapse zone. RESUME: La galerie en charge de 22 km de long constitue l'element principal de la Centrale Hydroelectrique Strassen-Amlach qui se trouve actuellement en voie de construction dans la province autrichienne du Tyrol de l'Est sur l'initiative de la Societe Hydroelectrique du Tyrol. Dans Ie massif des Dolomites de Lienz le trace de la gal erie traverse sur une longueur de 14 km dolomite superieure, roche solide, ensuite une series de structures tectoniques des Alpes calcaires et finalement la base cristalline de la vallee de Gail. Depui le mois de mai 1985 la galerie est excavee au moyen de deux tunneliers avec un diametre de forage de 3,90 m. L'excavation est, en outre, realisee en montant, depuis deux points d'attaque. Le tronçon situe dans la dolomite superieure a une longueur exceptionnelle de 13,7 km et a ete excave dans un delai de 19 mois avec un rendement moyen d'excavation de 36 m par jour ouvrable. Dans le deuxième tronçon, 8,2 km de long, faisant preuve des conditions geologiques fortement variables, eu lieu un accident geologique grave. Le tunnelier a roncontre imprevue un systeme karstogypseux de la serie "Raibler" de lequel sorti des venues d'eau, d'argile et des materiaux pierreux qui out provoque deux fois l'ensevelissement du tunnelier et le remblayage de la galerie sur une longueur de 65 m, ainsi les travaux d'excavation ont ete interrompus pendant lo mois. Le rapport ci-apres expos les conditions geologiques, les donnees de base contenues dans l'appel d'offres, les experiences acquises durant l'avancement du tunnel, les travaux de recuperation du tunnelier ainsi que les methodes adaptees pour franchier l'accident geologique. ZUSAMMENFASSUNG: Der 22 km lange Druckstollen ist das Herzstueck des Draukraftwerkes Strassen-Amlach, das derzeit von den Tiroler Wasserkraftwerke AG (TIWAG) in Osttirol, Österreich errichtet wird. Die Stollentrasse durchfahrt im Gebirgsstock der Lienzer Dolomiten auf ca. 14 km standfesten Hauptdolomit, jedoch in der Folge die tektonisch beanspruchten Stockwerke der Kalkalpen und die Kristallinbasis des Gailtales. Der Stollen wird mit zwei Vollschnittfrasen, Ausbruchsdurchmesser 3,90 m, seit Mai 1985 von zwei Angriffsorten jeweils steigend vorgetrieben. Der Stollenabschnitt im Hauptdolomit, mit der auβergewöhnlichen Lange von 13,7 km wurde in 19 Monaten mit Durchschnittsleistungen von 36 Ifm/Arbeitstag aufgefahren. Im zweiten 8,2 km langen Stollenabschnitt mit stark wechselnden geologischen Verhaltnissen erfolgten Einbrueche von Wasser, Lehm und Gesteinsmaterial aus einem unvermutet angefahrenen Gips-Karstsystem der Raibler Rauhwacken, die den Stollen samt Frase zweimal auf 65 m Lange verschuetteten und den Vortrieb lo Monate stoppte. Die geologischen Verhaltnisse, die Grundlagen der Ausschreibung, die Erfahrung bei der Ausfuehrung der Vortriebsarbeiten und die Maβnahmen zur Bergung der verschuetteten Frase und zur Bewaltigung der Verbruchszone werden beschrieben. 1. GEOLOGIE 1.1 Geologische Verhaltnisse Der Druckstollen durchfahrt in W-O-Richtung, parallel zum Drautal, die suedlich davon liegenden Formationen des Gailtal-Kristallins und der Lienzer Dolomiten. Die Schiefergneise, Amphibolite und Glimmerschiefer des Gailtal-Kristallins treten im westlichsten Abschnitt des Stollens zutage, sie bilden die Basis der Lienzer Dolomiten, die wiederum aus Schollen unterschiedlichen Alters vom oberen Perm bis zum unteren Jura aus Kalken, Dolomit, Mergel und Tonschiefer aufgebaut sind. Bei der Gebirgsbildung wurden die Schichtpakete verfaltet und verschuppt, sodaβ die zeitliche Reihenfolge der Gesteinsserien oft nicht mehr erhalten geblieben ist. Der westliche Abschnitt der Lienzer Dolomiten mitsamt seiner Kristallinunterlage liegt im Einfluβbereich der alpinen Groβstörungen des Drautales und des spitzwinklig einmuendenden Gailtales. Besonders in der Aufschiebungszone der Lienzer Dolomiten auf die Kristallinbasis der sogenannten "Abfaltersbacher Schuppenzone", -dem 3 km langen Stollenabschnitt zwischen Hauptdolomit und Kristallin -, ist der Schollenbau durch tektonische Einwirkung in Unordnung geraten. Die baugeologische Prognose war hier auβerst erschwert.
ABSTRACT: After an outline of the Austrian Standards for TBM driving the report describes excavation of the upper 8 km long part of the 22,5 km long pressure Tunnel with 3,9 m ¢ for the Strassen-Amlach hydro power scheme owned by Tiroler Wasserkraftwerke. A standard TBM "Robbins" was used with max. performance of 85 m per day' and 1.368 m per ~Onth in good rock conditions. After 5 km in predominently dolomitic rock, mica shists of very poor rock quality were reached ~o that the monthly advance rates droped to 130 m and less. A section of 1.600 m had to be driven, continously in rock classes Sand 6 (limit to the use of a TBM). Finally, frequent rockfall. reduced the monthly advance rate to 42 m, where upon the TBM was replaced by conventional methods for the last 400 m. Th~ report concentrates on the cross section and methods of rock support applied in the aformentioned 1.600 m section. ZUSAMMENFASSUNG: Nach einer Übersicht ueber die in Österreich uebliche Gebirgsklassifikation fuer Frasvortriebe beschreibt der Bericht den Ausbruch des oberen Tciles des 2{,5 km langen Druckstollens mit 3,9 m Durchmesser fuer das Kraftwerk Strassen-Amlach der Tiroler Wasserkraftwerke AG. Es war eine uebliche Tunnelbohrmaschine Fabrikat Robbins im Einsatz mit einer max. Vortriebsgeschwindigkeit von 85 m je Tag, 1.368 m im Monat bei guten Felsbedingungen. Nach 5 km, im hauptsachlich dolomitischen Fels, wurden Glimmerschiefer sehr schlechter Beschaffenheit angefahren, sodaß die Monatsleistung auf 130 m und weniger sank. Ein zusammenhangender Abschnhnitt von rd. 1.600 m war in den Frasklassen F5 und F6 aufzufahren (Grenze der Frasbarkeit). Schließlich verursachten fortlaufende Nachbrueche Vortriebsleistungen von weniger als 42 m pro Monat, weswegen nach Ausbau der Tunnelbohrmaschine die letzten 400 m konventionell 'bewaltigt werden mußten. Der Bericht befaßt sich mit den Felssicherungsmethoden und dem dabei erzielten Ausbruchsquerschnitt des vorerwahnten 1.600 m langen Stollenabschnittes. EINLEITUNG Der Österr. Norm fuer Untertagearbeiten, die auch die Klassifikation des Gebirges regelt, liegt das Gedankengut der Gebirgsklassifikah1. on nach LAUFFER zugrunde, wonach das "Vert- hailten des Gebirges beim Ausbruch" als Kriterium. fuer das Festlegen der Gebirgsklasse herangezogen wird (1). Die Begriffe "freie Stuetzweite" und zugehörige "Standzeit" sind die wesentlichen Parameter dabei. (Als Standzeit. wird jene Zeit angesehen, nach welcher bei gegebener Stuetzweite der Siche- rungseinbau spatestens erfolgen muß, um die Gebirgsauflösung hintanzuhalten bzw. um den geschaffenen Hohlraum zu sichern.) DETZLHOFER hat in Anlehnung an diese Gebirgsklassentabelle fuer konventionellen Vortrieb eine solche fuer mechanische Vortriebe aufgestellt, welche letztlich der derzeit geltendenÖNORM B 2203 zugrunde gelegt wurde (2,3). Hier wird vorerst, um die verschiedenen Gesteinseigenschaften zu erfassen, die Gesteinsart angegeben (z.B. Glimmerschiefer, Dolomit usw.). Die daneben genannte Frasklasse beschreibt, orientiert nach dem Ort des spatestens notwendigen Stuetzmitteleinbaues, bezogen auf die jeweils verwendete TBM-Type,die Festigkeitseigenschaften des Gebirges hinsichtlich seines Tragverhaltens. Der Bezug auf den Einbauort beinhaltet damit auch die "Standzeit" des Gebirges, regularen Arbeitsvorgang vorausgesetzt. Wahrend in den Guteklassen Fl und F2 Sicherungen in geringem Umfang im Nachlauferbereich und zeitlich mehr oder weniger ungebunden erfolgen können, ist bei Gueteklasse F3 im Nachlauferbereich.
SUMMARY: The actual tendency to exploit our energy resources as thoroughly as possible lead to a Renaissance in the development of hydro power and also gave rise to new inspirations in the field of pressure tunnel design. Dams are always getting higher and capacities of power plants are steadily increasing. This required new and improved lining systems for the corresponding pressure tunnels, in order to cope with the increased stresses. One possibility of controlling the higher pressures are prestress techniques; a further improvement can be achieved by a combination with a plastic sheet. Finally, for highest pressures like those ocurring in pressure shafts, the only possibility left is a steel lining. Modern design methods basing on in--situ measurements reduce the thickness of t.r.e lining to such an extent, that the practicable minimum thickness would be sufficient for the largest part of a pressure shaft. Specific measures have to be taken to support the external rock water pressure. In all these cases mechanical excavations provided better conditions for the construction works as well as for the static effectiveness of the linings. ZUSAMMENFASSUNG: Der gegenwartige Trend zu möglichst vollkommener Ausnutzung der vorhandenen Energiereserven fuehrte zu einer Renaissance im Wasserkraftbau und gab auch der Entwicklung des Druckstollenbaues neue Impulse. Die immer höher werdenden Talsperren und die steigenden Leistungen der Kraftwerke erforderten bei den Druckstollen neue und verbesserte Auskleidurgssysteme, um den erhöhten Beanspruchungen gerecht zu werden. Eine Möglichkeit zur BeherrsChung höherer Druecke bieten Vorspannverfahren; eine weitere Verbesserung bringt eine Kombination mit einer Kunststoffolie. Schlieβlich bleibt bei höchsten Druecken, wie sie in den Druckschachten auftreten, nur mehr die Möglichkeit einer Stahlpanzerung. Moderne Bemessungsmethoden, basierend auf in-situ Messungen, reduzieren die Wanddicke dermaβen, daβ fuer den gröβten Teil eines Druckschachtes die Minimalwanddicke ausreichen wuerde. Zur Aufnarme des Gebirgswasserdruckes sind dann eigene Maβnahmen erforderlich. In allen Fallen ergaben sich durch den mechanischen Ausbruch bessere Bedingungen sowohl fuer die bauliche Ausfuehrung als auch fuer die statische Wirksamkeit der Auskleidung. RESUME: La tendance actuelle visant a une exploitation tres radicale de nos ressources energetiques mena à une renaissance dans l''evolution de l''energie hydro-electrique et aussi donna de nouvelles impulsions pour le developpement des galeries en charge. Comme l''hatteur des barrages monte de plus en plus et les puissances des usines hydro-electriques augmentent continuellement, il fallut des nouveaux et ameliores systèmes de revêtement pour les galeries en charge, afin de satisfaire aux efforts eleves. Une possibilite de contrôler les pressions plus fortes ce sont des methodes de precontrainte; une ameliora tion supplementaire peut être obtenue par une combinaison avec une feuille en matière plastique. Enfin, en ce qui concerne les press ions les plus fortes qui se manifestent dans les puits en charge, il ne reste que la possibilite d''un blindage en acier. Les methodes modernes de dimensionnement, basant sur des mesures "in situ", reduisent l''epaisseur du revêtement tellement que pour la partie la plus longue d''un puits en charge l''epaisseur minimale serait suffisante. Afin de supporter la pression d''eau du terrain, des mesures speciales doivent être prises. En tous ces cas les excavations par moyens mecaniques menèrent aux meilleures conditiors, non seulement pour l' execution des traveaux, mais aussi pour 1'exffectivite du revêtement. ALLGEMEINES Der gegenwartige Trend zu möglichst vollkommener Ausnutzung der vorhandenen Energiereserven fuehrte auch zu einer Renaissance im Wasserkraftbau und gab der Entwicklung des Druckstollenbaues neue Impulse. Die immer höher werden den Talsperren und die steigenden Leistungen der Kraftwerke (Figure in full paper) erforderten bei den Druckstollen neue und verbesserte Auskleidungssysteme, um den erhöhten Beanspruchungen standhalten zu können. Ein Maβ fuer die Gröβe der Beanspruchung eines Druckstollens ist die Umfangszugkraft Z = Pi x ri, die in Abb. 1 fuer einige hochbeanspruchte Druckstollen dargestellt ist. Einfache Betonauskleidungen können selbst bei bestem Gebirge nur relativ geringe Druekke rissefrei aufnehmen. Auch Stahlbewehrungen bringen wenig im Verhaltnis zurn Aufwand. Groβe technische und wirtschaftliche Erfolge konnten mit der Anwendung von Vorspannverfahren bei Betonauskleidungen erzielt werden. Eine weitere Verbesserung und damit eine groβe Erweiterung des Anwendungsbereiches brachte die Kombination des Spaltinjektionsverfahrens (zur Vorspannung) mit einer Dichtungsfolie. Damit wird auch die Sicherheit bei eventuell verlorener Vorspannung wesentlich erhöht. Auch im Bereich höchster Druecke, der den Stahlpanzerungen vorbehalten bleibt, brachten neue, hochfeste Stahlsorten, kombiniert mit Vorspannung und Bemessungsverfahren, welche auf in-situ Messungen aufbauen, weitere wirtschaftliche Vorteile.
ZUSAMMENFASSUNG: Im Hattelberg-Druckstollen des Malta Kraftwerkes der Österreichischen Draukraftwerke AG traten bei der 1. Fuellprobe Risse auf, die auf eine urwerstandlich geringe Gebirgsmitwirkung hinwiesen. Bei den Felsinjektionen zeigte das Gebirge teilweise eine sehr groβe Gangigkeit, die das Aufbringen der beabsichtigten Druckvorspannung sehr erschwerte. Zur Sanierung muβte nachtraglich eine Stahlauskleidung eingebaut werden. Einen Hinweis auf einen besonderen Spannungszustand, der das abnorme geotechnische Verhalten des Gebirges erklart, gibt ein Nivellement, durch welches rezente Gebirgshebungen nachgewiesen werden konnten. SUMMARY: During the first filling test fissures were observed in the Hattelberg pressure tunnel of the Malta hydroelectric power plant (Österreichische Draukraftwerke AG) which indicated an incomprehensively low reaction of the rock mass. During grouting rock permeability in some cases was so high that the planned prestressing was rendered difficult. As a consequence an additional steel lining had to be placed. Indications of a special state of stress explaining the anomalous geotechnical behaviour of the rock mass were obtained by levelling which proved recent rock heave. RESUME: Le premier essai de mise en pression dans la galerie en charge Hattelberg de l' usine hydroelectrique de la Malta (Österreichische Draukraftwerke AG) y fit apparaître des fissures indicatrices d'une reaction du terrain etrangement faible. Lors des injection Le rocher presentait à certains erdroits une penrmeabilite si grande qu' elle rendit très difficile l' application de la precontrainte prevue. Pour la consolidation de l' ouvrage il fallut mettre en place après coup un revêtement en acier. Des indications d' un ètat de contrainte très special qui explique le comportement geotechnique anormal du terrain ont ete fournies par un nivellement mettant en evidence des soulèvements de terrain recents. 1 ÜBERSICHT Der Hattelbergstollen liegt unter einem schmalen Bergruecken aus Granitgneis im Endabschnitt des rd.20km langen Druckstollens der Hauptstufe der Kraftwerksgruppe Malta. Diese Kraftwerksgruppe nuetzt das Einzugsgebiet suedseitig des Tauernhauptkammes im Nordwesten des Bundelandes Karnten, Österreich (Abb. 2). Der Hattelbergstollen, als Endabschnitt vor dem kraftabstieg, ist bezueglich Innendruck der höchstbeanspruchte Teil des Druckstollens. Der statische Innendruck steigt gegen das am Ende des Stollens angeordnete Wasserschloβ bis rd. 10 bar. Der Ausbaudurchfluβ fuer den gesamten Triebwassermeg betragt Q = 80 m3/s; der lichte Durchmesser in den betonausgekleideten Strekken wurde mit Di = 4,90 m festgelegt. Daraus abgeleitet ergibt sich eine maximale Ringzugkraft. Als Ausbruchsmethode wurde aufgrund der technischen Vorteile fuer das ins Auge gefaβte Vorspannverfahren zunachst, ein maschineller Ausbruch in Betracht gezogen. Da aber die Bauabicklung unter starkan Termindruck stand und zur Zeit der Auftragsvergabe keinerlei Terminzusagen fuer einen Frasvortrieb zu erwirken waren, muβte notgedrungen auf den konventionellen Vortrieb zurueckgegriffen werden. 2. GEOLOGIE 2.1 Allgemeiner Überblick Der Hattelbergstollen liegt in der suedlichen Randzone eines machtigen Granitgneisstockes in den östlichen Zentralalpen. Die auftreteden Gesteine gehören im wesentlichen zu der Gruppe der massigen Zweiglimnergneise bis Augengneise, in denen nur untergeordnete duenne Bander von Schiefergneisen eingeschaltet sind. Der Mineralbestand der massigen Gneise ist zwar ahnlich dan eines Granites, doch liegt im Bereich des Hattelbergstollens ein deutliches Parallelgefuege vor. Dieses erkennt mannicht nurin der Ausrichtung der gesteinsbildenden Mineralien sondern auch in einer dickplattigen bis bankigen Absonderung parallel zur Textur. Die Bankung zeigt ein steiles Abtauchen der granitischen Serien gegen Sueden an, wo sie von juengeren, weniger metamorphen Schiefergesteinen ("Schieferhuelle") ueberlagert werden. Die Grenze zwischen der Schieferhuelle und dan Gneiskern ist tektonisch vorgezeichnet und liegt berei ts auβerhalb des Hattelbergstollens im suedlich anschlieβenden Burgstallstollen. Der Granitgneiskern und seine Schieferhuelle bilden die groβtektonische Einheit des sogenannten 'PENNIN'S"der Ostalpen, das im Sueden an der bedeutenden Störungslinie des Mölltales endet (Abb. 2). Entlang der Mölltalstörung erfolgten im Verlaufe der alpidischen Gebirgsbildungsprozesse bei zunehmender Einengung nicht nur gewaltige Massenverlagenmgen in tiefere Zonender Erdkruste, sondern spater auch Hebungen. Als unbestritten gilt schon seit langer Zeit die junge Heraushebungder Zentralalpen und insbesondere ihrer penninischen Granitgneiskerne. Der Nachweis, daβ dieser Hebungsprozess bis zur Gegenwart andauert, gelang allerdings erst im letzten Jahrzehnt und zwar gerade in jener Region, in der der Hattelbergstollen errichtet werden sollte. Einen ersten Verdacht auf rezente Gebirgshebungen schöpfte bereits E. SENFTL 1949 bei einer Nachmessung des Nivellements durch den nur 15 km vom Hattelbergstollen entfernt gelegenen Tauern-Eisenbahntunnel (Lit. 11). Eindeutig bestatigen konnte E. SENFTL seine Mutmaβungen allerdings erst 1971 im Zuge einer Nachmessung des gesamten Nivellements entlang der Tauernbahn zwischen Lend im Norden der Hohen Tauern und Lendorf im Sueden. Dabei zeigte sich, daβ die gröβten Hebungen von rund 70mm innerhalb des Zeitraumes von 1910 bis 1971 in unmittelbarer Nahe des suedlichen Malta-Druckstollens (Hattelbergstollen, Burgstall stollen) auftraten beziehungsweise im Bereich des Kraftabstieges (Lit. 10). 2.2 Ergebnis der geologischen Voruntersuchungen Im Zuge der geologischen Voruntersuchungen fuer den Bau des Maltakraftwerkes wurde im Bereich des Kraftabstieges besonder's das vorerst unerklarbare, inverse Schichteinfallen studiert (Lit. 3). In einem eigens dafuer angelegten Sondierstollen zeigte sich, daβ die Schieferhuellgesteine mit hoher Wahrscheinlichkeit in Form eines Riesenhakenwerfens, verursacht durch tektonische Senkungen des Vorlandes oder Hebungen des unterlagernden Granitgneissockels aus den Hangherausgekippt wurden.
SUMMARY: The use of tunnel boring machines (TBM) increased in the last 10 years by several hundred per cent. Positive records of more than one thousand meters advance per month contrast with disillusioning negative records of only a few meters advance/month in fault zones. The influence of these zones on penetration rate and utilization is shown in seven case histories. A dependence of the daily advance rate from the length and quality the fault zone can be recognized. The requirements resulting from these experiences for Engineers, TBM-manufacturers and site managers are pointed Out.
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