Inhalt

Projektübersicht

Geologie

Ausgangslage

Projektentwicklung

Massnahmen

Knautschzone

Bauablauf, Ausblick

Content

Project overview

Geology

Starting situation

Project development

Range of Measures

Yielding zone

Construction progress, outlook

Tunnel Gotschna: Instandsetzung von Quellhebungen in einem bestehenden Straßentunnel

Referenten: Beat Schädler Dipl.-Ing. ETH/SIA, Aegerter & Bosshardt AG

Patrick Beeler Dipl.-Ing. ETH, Lombardi AG

Co-Autoren: Flavio Chiaverio Dipl.-Ing. ETH/SIA, Aegerter & Bosshardt AG

Reto Weishaupt MSc., Bau-Ing. ETH/SIA, Lombardi AG

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2

Bestehender Tunnel

Kenndaten Inbetriebnahme: 2005 Tunnellänge: 4’207 m Innendurchmesser: 10,2 m Gewölbestärke: 30 cm Längsgefälle: max. 4,8 % Tunnellüftung: Querlüftung mit Portalzentralen Betrieb: im Gegenverkehr, 2 x 1 Fahrspur

Characteristics Commissioning: 2005 Tunnel length: 4’207 m Bore: 10,2 m Vault thickness: 30 cm Gradient: max. 4,8 % Tunnel ventilation: Transversal ventilation with portal stations Direction: bi-directional, 2 x 1 track

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Normalprofile

3

Hufeisenprofil Sicherheitsstollen

Geologisches Längenprofil Inhalt

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4

Interpretation Geologie Zone I Tm 2’030 – 2’110

Mélange:

Dolomit / Kalke

Raibler mit Anhydrit / Grips

Sandstein / Quarzit

Kalkschiefer / bunte Schiefer / Phyllite Flysch: Sandkalke / Phyllite

Kakirit

Scherzonen

Quellen – Charakteristiken beim Tunnel Gotschna stark zerscherte Tektonik Anhydritvorkommen in Raiblerschichten in bis zu 5m starken Schichten Anhydrit in Lagen bis 10 cm Stärke Einflussbereich bis max. ca. 10m um Tunnel herum Wirkung primär unter der Sohle, sekundär seitlich auf Parament

Springs – characteristics of the Gotschna tunnel sharply sheared tectonics Anhydrite deposits in Raibler-Formations in stratums of up to 5m Anhydrites in layers of up to 10 cm Area of influence up to approx. 10 m around the tunnel Effect primarily under the invert, secondarily lateral to the tunnel lining

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5

Interpretation Geologie Zone I Tm 2’030 – 2’110

Mélange:

Dolomit / Kalke

Raibler mit Anhydrit / Grips

Sandstein / Quarzit

Kalkschiefer / bunte Schiefer / Phyllite Flysch: Sandkalke / Phyllite

Kakirit

Scherzonen

Bestehender Tunnel, Normalprofil

Hufeisenprofil Sicherheitsstollen

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Unbewehrtes Sohlgewölbe Verankerte Sohlplatte

6

Bestehender Tunnel, verstärkte Ausbautypen

Bestehender Tunnel Zustand - Schäden

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Deformationen – Prognose 2034

Deformationszone I (DZ I) Deformationszone II (DZ II)

Projektzielsetzung

Massnahmenumfang anhand Kriterienkatalog spezifisch festlegen

Massnahmen an Tunnelkonstruktion oberhalb der Fahrbahn nur falls statisch erforderlich

Restnutzungsdauer: - 80 Jahre für Ertüchtigungsmassnahmen - 15 Jahre für weitere Massnahmen

Mit geeigneten Überwachungsmassnahmen - Erfolgskontrolle gewährleisten - evtl. neu auftretende Deformationen frühzeitig erkennen

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8

Project objectives

To specify the measures with the aid of a list of criteria

Measures concerning the construction above the carriageway are to be taken only if statically required

Residual life: - 80 years for rehabilitation measures - 15 years for further measures

With appropriate monitoring measure - Ensure the success control - Early detection of possible new deformations

Kriterien

Mass der Hebungen von Fahrbahn und Bankette Zustand und Mass der seitlichen Verschiebung der Paramente Gewölbestärken Zustand der Werkleitungen

Criteria

Degree of heave of the carriageway and the lower side walls Condition and degree of lateral dislocation of the tunnel lining Vaulting thickness Condition of the service pipes

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9

Festlegung Instandsetzungsbereiche

Ertüchtigungsbereich Ertüchtigungsbereiche

150 m 30 m 50 m

Grenzwert

Grenzwert

Deformationszone I (DZ I) Deformationszone II (DZ II)

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Querschnittkonzeption

Einbau eines Sohlgewölbes inklusive Kicker

Verstärkung / Ersatz der Paramente Knautschzone - als «Zeitgewinn» - zum Ausgleich lokaler Spitzenquelldrücke

Widerstandsprinzip

Ausweichprinzip

Profile conception

Construction of a new invert including kicker brace

Reinforcement / replacement of the tunnel lining Yielding zone - as a “time gain” - to compensate local swelling pressure peaks

Resistance principle

Yielding principle

Verstärkung Parament

Sohlgewölbe inkl. Kicker

Knautschzone

10

Querschnittskonzeption

Interpretation Geologie mit möglicher Tunnellage

Mélange:

Dolomit / Kalke

Raibler mit Anhydrit / Grips

Sandstein / Quarzit

Kalkschiefer / bunte Schiefer / Phyllite Flysch: Sandkalke / Phyllite

Kakirit

Scherzonen

Inhalt

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11

Einwirkungen

Einwirkungen Inhalt

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12

Einwirkungen

Massnahmen Sohlgewölbe Inhalt

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Massnahmen Paramente

Paramentersatz Paramentverstärkung

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Seite Davos

Seite Davos

Seite Landquart

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Eignungsversuche – wesentliche Materialanforderungen

Materialverhalten εmin = 30% σmax = 1.0 - 1.4 MPa bei ε < εmin Hohe Anfangssteifigkeit Hinreichende Dauerhaftigkeit, d.h. Sulfatbeständigkeit Einbau einer vollflächigen Knautschzone aus Fertigteilen

Suitability tests – essential material requirements

Material behavior εmin = 30% σmax = 1.0 - 1.4 MPa bei ε < εmin High initial stiffness Sufficient durability, viz. sulfate resistance Incorporation of a full-surface yielding zone of prefabricated components

14

0.0

0.5

1.0

1.5

0 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30

σ [M

Pa]

ε [%]

zulässiger Bereich optimaler Bereich

Eignungsversuche, Materialverhalten

accepted range optimal range

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Eignungsversuche – zweistufiges Vorgehen

1. Charakterisierung potentiell geeigneter Knautschmaterialien (Variantenstudium, Literatur, ausgeführte Bauwerke)

2. Durchführung von Laborversuchen für abschliessende Beurteilung der potentiell geeigneten Materialien

Material Charakterisierung Zuschlagsstoffe / -mittel

1 Zementmatrix mit porösen Zuschlägen Cement matrix with porous aggregates

Glasschaum Foam glass

2 Zementmatrix mit porösen Zuschlägen Cement matrix with porous aggregates

Polystyrolkugeln Polystyrene spheres

3 Schaummörtel Foam mortar

Luftporenbildner Air-entraining agents

15

Bild: Empa Dübendorf Bild: Empa Dübendorf Bild: Empa Dübendorf

Material 1 Material 2 Material 3

Eignungsversuche, Materialien

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Eignungsversuche – Materialverhalten

Ziel: Überprüfung des Materialverhaltens unter den vorgesehenen Einbaubedingungen

Weggesteuerte Druckversuche mit kontinuierlicher Aufzeichnung des axialen Spannungs-/ Stauchungsverhaltens

Versuche an grossen (48 x 48 x 30 cm) und hinsichtlich zukünftiger Material- und Qualitätstests während der Ausführung an kleinen (20 x 20 x 20 cm) Prüfkörpern

16

Bild: Empa Dübendorf Bild: Empa Dübendorf

Prüfstand gross Prüfstand klein

Eignungsversuche, Versuchseinrichtung

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Eignungsversuche – Materialverhalten

Ziel: Überprüfung des Materialverhaltens unter den vorgesehenen Einbaubedingungen

Überprüfung Einfluss der Einbautoleranzen resp. der seitlichen Bettungsverhältnisse auf Materialverhalten mittels Prüfserien mit vollständig und teilweise behinderter Seitendehnung

Überprüfung Einfluss der Wassersättigung auf Materialverhalten mittels Prüfserien an trockenen und wassergesättigten Probekörpern

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Bild: Empa Dübendorf

Vollständig behinderte Seitendehnung Teilweise behinderte Seitendehnung

Eignungsversuche, Varianten Seitendehnung Prüfstand gross

Druckplatte

Hartholzplatte

Stahlschalung

Polystyrolplatte

thrust plate

hardwood plate

steel formwork

polystyrene plate

Bild: Empa Dübendorf

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Eignungsversuche – Resultate Materialverhalten

Wesentliche Erkenntnisse: Material 1: εmin > 30% nur mit seitlicher Ausdehnung Material 2 & 3: Anforderungen bei beiden Bettungsverhältnissen erfüllt Wassersättigung: kein relevanter Einfluss Versuche an kleinen Würfeln bestätigten Resultate der grossen Platten

Suitability tests – results of material behavior

Important insights: Material 1: reaches a compressing degree > 30% with lateral expansion only Material 2 & 3: the requirements regarding bedding conditions are met The water saturation does not show a relevant effect on the material behavior Experiments on small cubes have confirmed the results of the large slabs

18

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0 10 20 30 40 50

Span

nung

[MPa

]

Stauchung [%]

Grossplatten, vollständig behindert, trocken

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0 10 20 30 40 50

Span

nung

[MPa

]

Stauchung [%]

Grossplatten, teilweise behindert, trocken

Material 1 Material 2 Material 3

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0 10 20 30 40 50

Span

nung

[MPa

]

Stauchung [%]

Grossplatten, teilweise behindert, nass

Material 1 Material 2 Material 3

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0 10 20 30 40 50

Span

nung

[MPa

]

Stauchung [%]

Grossplatten, teilweise behindert, trocken

Eignungsversuche, Resultate Materialverhalten

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Eignungsversuche – Dauerhaftigkeit, Versuche, Resultate

Ziel: Überprüfung Material in aggressivem, stark sulfathaltigem Bergwasser (SO4

2- = 3’000 – 5’000 mg/l)

Test Sulfatbeständigkeit (Norm SIA 261/1 Anhang D) mit Beurteilung der Dehnung ∆l während Zusatzlagerung: Grenzwert: ∆lmax = 1.2 ‰

Mikroskopie mittels Rasterelektronenmikroskop (Materialdegradation)

Resultate: Material 1 & 2: Anforderungen bestanden Material 3: Dauerhaftigkeit nicht erfüllt, Materialdegradation

Results: Material 1 & 2: The requirements are met Material 3: Durability does not meet the requirements, material degradation

Entscheid Eignungsversuche: Wahl Material 2 Decision suitability tests: Material 2

19

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

0 2 4 6 8

Δl [‰

]

Wochen

Längenänderung Δl während der Zusatzlagerung

Material 1 Material 2 Material 3 Grenzwert

Eignungsversuche, Resultate Dauerhaftigkeit

Bild: Empa Dübendorf

Übersicht Mikroskopie

Bild: Empa Dübendorf

Detailaufnahme Mikroskopie

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Bauablauf Phase 1

Linienbaustelle: Abbruch Fahrbahn, Bankette, Entwässerung Vorbereitung Kickerabbruch

Blockweise: Kickerabbruch beidseitig Paramentabbruch einseitig (wo nötig) Freilegen bestehende Gewölbeabdichtung

Phase 2

20

Bauablauf

Phase 1 Phase 2

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Phase 3 Phase 4

Blockweise: Erstellung Kickerfundamente Abdichtung neuer Kicker- und Paramentbereich Neubau Kicker- und Paramentbereich Schutz Abdichtungsübergänge

Linienbaustelle: Ausbruck Sohlbereich neues Sohlgewölbe Ausbruchsicherung mit Spritzbeton Einbau Sohldrainage

Bauablauf

21

Phase 3

Bauablauf

Phase 4

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Bauablauf Phase 5 Phase 6

Linienbaustelle: Einbau Knautschzone aus Fertigteilen Abdichtung neues Sohlgewölbe Einbau neues Sohlgewölbe Neubau Bankette, Innenausbu

Linienbaustelle: Einbau Fahrbahn Paramentverstärkung Vorbetonieren (wo nötig) BSA-Installationen

22

Bauablauf

Phase 5 Phase 6

Inhalt

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Ausblick Erstellung Ausschreibungsunterlagen bis März 2018 Publikation April 2018 Vergabe Oktober 2018 Ausführung - Frühlingsbauzeitfenster 2019 April – Juni 2019 (FBZF 19) - Herbstbauzeitfenster 2019 Oktober – Dezember 2019 (HBZF 19) - Frühlingsbauzeitfenster 2020 März – Juni 2020 (FBZF 20)

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Deformationszone 1 Deformationszone 2 FB

ZF 1

9 HB

ZF 1

9 FB

ZF 2

0

Instandsetzung

Instandsetzung

Instandsetzung

Bauprogramm

Projektbeteiligte (project participants)

Bauherr: Bundesamt für Strassen ASTRA Filiale Bellinzona, Rolf Burri

Bauherrenunterstützung: ILF Beratende Ingenieure AG, Zürich Dr. Markus Schwalt

Projektverfasser Bau: INGE Gost, p. A. Aegerter & Bosshardt AG, Basel Beat Schädler, Aegerter & Bosshardt AG Patrick Beeler, Lombardi Ingenieure AG

Projektverfasser BSA: Brüniger + Co, AG, Chur Peter Wildi

Geologie: BauGrundRisk AG, Chur Ruedi Krähenbühl

Experten Quellen: Prof. Dr. Georgios Anagnostou, ETH Zürich Prof. Dr.-Ing. Dieter Kirschke, Ettlingen Walter Steiner, B+S AG, Bern

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Material 2: um 50% gestauchter Probekörper Material 2: specimen compressed by 50%