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Brenner Basistunnel im Bau under Construction Die Bauphase – Phase 3 – beim Brenner Basis- Phase 3 – the construction phase – of the Bren- tunnel wurde am 18. April 2011 gestartet. Der ner Base Tunnel was started on 18th April 2011. folgende Beitrag gibt einen Überblick über den The following article gives an overview of the bisherigen Stand der Arbeiten. state of the art of construction.

1 Allgemeines zum Univ. Prof. Dipl.-Ing. Dr. Dr. Konrad Bergmeister, Brenner Basistunnel BBT SE, Phase 3 of the Brenner Base Tun- Basistunnel /A, [email protected], www.bbt-se.com nel was started on 18th April 2011 Der Brenner Basistunnel ist im by a decision of the shareholders‘ neuen TEN-Strategieplan (2014 dungen werden für den Bau der 1 General information meeting (50 % ÖBB and 50 % TFB: bis 2020) als Teil des Nord-Süd- Haupttunnel genützt. Dadurch on the Brenner Base from which 82 % RFI - Italian rail- Korridors Nr. 5 Helsinki – Vallet- können das Baurisiko vermin- Tunnel way company and 18 % from the ta (Sizilien) vorgesehen. Derzei- dert und sowohl Baukosten als The Brenner Base Tunnel, accor- states of: South , Trentino, tig ist der Brenner Basistunnel auch Bauzeiten optimiert wer- ding to the new Strategic plan- Verona). als prioritäres Teilstück des TEN- den. Im endgültigen Ausbau ning of TEN-T policy (2014 to The Brenner Base Tunnel is a Bahnkorridors von Berlin nach wird dieser Erkundungsstollen 2020), is a part of the future TEN low-gradient railway tunnel. The Palermo ausgewiesen. durchgehend gebaut, sodass No. 5 corridor Helsinki – Valletta tunnel stretch from Tulfes (Aus- Beim Brenner Basistunnel er dann als Entwässerungsstol- (Sicily). Currently the Brenner Base tria) to Fortezza (Italy). At 64 km wurde die Phase 3 am 18. April len und bei Notwendigkeit als Tunnel is identified as a priority in length it will be the longest 2011 durch einen Beschluss Dienststollen genützt werden section of the TEN-rail corridor underground railway line in the der Gesellschafterversamm- kann. from Berlin to Palermo. world. The maximum gradient in lung (50 % ÖBB und 50 % TFB: davon 82 % RFI – italienische 1 Eisenbahngesellschaft und 18 % Länder: Südtirol, Trentino, Verona) gestartet. Beim Brenner Basistunnel handelt es sich um einen flach verlaufenden reinen Eisenbahn- tunnel. Die Tunnelverbindung zwischen Tulfes (Österreich) und (Italien) weist eine Länge von 64 km auf, womit die weltlängste un- terirdische Eisenbahnverbin- dung entsteht. Die maximale Längsneigung beträgt in den Hauptabschnitten 6,7 ‰. Mit- tig unterhalb der beiden Tun- nelröhren befindet sich der Er- kundungsstollen (Bild 1). Dieser wird zuerst abschnittsweise vor dem Bau der Hautröhren aus- gebrochen, um hauptsächlich das Gebirge zu erkunden. Die Ergebnisse dieser geologischen Regelquerschnitt des Haupttunnels mit Erkundungsstollen und hydrogeologischen Erkun- Typical cross-section of the main tunnel with exploratory tunnel Tunnel 1/2012 The future of mobility Die wichtigsten Kenndaten des Vorgangsweise zur geotech- Brenner Basistunnels sind: nischen Klassifizierung vorbe- • Länge: 55 + 9 = 64 km reitet werden. Dabei fließen • Längsneigung: 5,0 bis 6,7 ‰ auch die Kennwerte aus den • Scheitelhöhe des Basistun- Ergebnissen des Erkundungs- nels: 795 m ü.d.M. stollens ein. Gezielt sollen die • Nettoquerschnitt der Auswahlparameter festgelegt Haupttunnel mit baulicher und die Berechungsparameter Toleranz – konventioneller bzw. –methoden wie Squee- Vortrieb: 40,4 m2 zing, Gebirgskriechen, elasto- • Nettoquerschnitt der plastische Stabilität, Deforma- Hauptunnel mit baulicher tionen etc. soweit als möglich Toleranz – maschineller festgelegt werden. Vortrieb: 42 m2 • Abstand der Querschläge: Die wesentlichen Elemente die- 300 m ser gesamtheitlichen Regelpla- nung sind: 2 Planungen • Überarbeitung der Tras- 2.1 Projektübergreifende sierung mit Einarbeitung Regelplanung – Guide Design sämtlicher Optimierungen Damit die Planung der verschie- und UVP-Vorschriften denen Baulose einheitlich er- • Normative Grundlagen und folgt und die UVP-Vorschriften technische Vorgaben für eingeplant werden können, die losbezogene Ausschrei- wird beim Brenner Basistun- bungs- und Ausführungs- nel vor der Ausschreibungs- planung bzw. Ausführungsplanung • Einheitliche Bewertungs- eine projektübergreifende matrix für die geotech- Regelplanung (guide design) nische Klassifizierung auf erstellt. Diese wird auf Basis der Grundlage italienischer des aktuellen Wissens und der SIG(1997)- und österrei- neuesten technologischen Ent- chischer ÖGG-Richtlinien wicklungen durchgeführt, um • Grundsätze für die Be- eine einheitliche technische messung, die konstruktive Grundlage für die weiteren Durchbildung für eine Le- Ausschreibungs- und Planungs- bensdauer von 200 Jahren schritte zu schaffen. In einer in- Erstellen von detaillierten InnoTrans 2012 • International Trade Fair for Transport Technology ternationalen Expertengruppe Schnittstellen- und Typen- Innovative Components · Vehicles · Systems wurden die unterschiedlichen plänen 18 – 21 September · Berlin · Germany Erfahrungen mit Großprojekten • Toleranzvorgaben (ver- www.innotrans.com und deren Abwicklungsmo- messungs- und baumetho- dalitäten ausgewertet und denabhängige Toleranzen) in der Folge ein Vorschlag für unter Berücksichtigung der den Brenner Basistunnel aus- Folgegewerke gearbeitet. Dadurch soll eine • Vorkehrungen für den homogene und solide Basis für bahntechnischen Ausbau die Folgeplanungen erarbeitet werden. Zusätzlich wird die gesamte Durch die Unterschiedlich- Trassierung vom UTM in ein keit der Planungsphilosophien projektbezogenes Koordina- und der länderspezifischen tensystem BBT-TM gebracht, Vorgaben soll im Rahmen der das durch eine transversale Regelplanung eine einheitliche Mercatorprojektion erzeugt Messe Berlin GmbH Messedamm 22 · 14055 Berlin · Germany Tel. +49(0)30/3038-2376 · Fax +49(0)30/3038-2190 [email protected]

Tunnel_InnoTrans2012_99x297_en.indd 1 18.01.2012 13:17:52 20 Österreich/Italien Austria/Italy Tunnel 1/2012

wird. Damit wird die mittlere ständig in die Planungen der the main sections of the tunnel planning for tender procedures Projekthöhe von 720 m or- Haupttunnellose einbezogen amounts to 6.7 ‰. The explora- and other planning steps. The thometrischer Höhe festgelegt, werden können. tory tunnel is centred beneath different experiences obtained in was ca. 770 m ellipsoidischer In Österreich wird auf der the 2 tunnels (Figure 1). It will be important projects and their me- Höhe entspricht. Das Projekt Grundlage der ÖGG-Richtlinien built in sections before begin- thods of management and exe- liegt somit in einem Gebiet ca. und der ÖNORM B 2118 zur Aus- ning construction works on the cution were assessed by a group 10 km östlich und westlich vom schreibung der Tunnelbaulose main tubes, mainly to examine of international experts and a pro- Mittelmeridian. In diesem Fall eine Ausschreibungsplanung and prospect the rock. The re- posal was subsequently created beträgt die Streckenverzerrung mit den wesentlichen Projekt- sults of these geological and hy- for the Brenner Base Tunnel. This weniger als 2 bis 3 mm/km. Im elementen und einer detaillier- drogeological tests will be used approach aims to elaborate a ho- so geschaffenen Bezugssystem ten Leistungsbeschreibung er- for the construction of the main mogenous and solid foundation muss keine weitere Rotation stellt und dann baubegleitend tunnel. This reduces construction for further planning activities. durchgeführt werden, da die die Ausführungsplanung erar- risk and optimizes construction Due to the differences in the Meridiankonvergenz einfach beitet. costs and time. The final outfit- design philosophies and the zu berechnen ist und der sich In Italien wird auf der Grund- ting will be realized in the whole country-specific requirements daraus ergebende Redukti- lage des staatlichen Dekretes exploratory tunnel with the re- a uniform procedure should be onseffekt auf die Richtungen DM 163/2006 zur Ausschrei- sult that it can be converted into prepared within the planning de- unbedeutend ist (der Konver- bung der Baulose eine detail- a drainage tunnel and, if need be, sign for geotechnical classifica- genzwinkel beträgt ca. 4’). lierte Ausführungsplanung to a service gallery. tion. Incorporating the characte- erstellt und baubegleitend ristic values from the results of the 2.2 Ausschreibungs- bzw. Detailpläne erarbeitet. The most important basic fea- exploratory tunnel. Target should Ausführungsplanungen tures of the Brenner Base Tunnel be determining the selection pa- Im Jahre 2012 erfolgen die Aus- 3 Erkenntnisgewinn are: rameters – and methods: as far as schreibungen für die externen durch Modellsimulati- • Length: 55 + 9 = 64 km possible determining squeezing, Dienstleistungen zu den Aus- onen • Gradient: 5.0 to 6.7 ‰ rock creep, elasto-plastic stability, schreibungs- und Ausführungs- 3.1 Geo-hydrogeologische • Apex height of the base deformation, etc. planungen. Im Bauzeitplan Modellierung tunnel: 795 m a.s.l. sind 2 Hauptausschreibungen Nördlich des Brenners finden • Net cross-section of the The key elements of such an “end für die Ausschreibungs- bzw. wir zwischen dem Innsbrucker main tunnel with structural to end” planning design are: Ausführungsplanung vorge- Quarzphyllit und den Zentral- tolerance – conventional • Route planning review and sehen und zwar eine für den gneisen des Brenners den tunnelling: 40.4 m2 adoption of all optimization österreichischen Abschnitt sogenannten „Bündner Schie- • Net cross-section of the measures and of the EIA (Erkundungsstollen, Haupt- fer“. Es handelt sich dabei um main tunnel with structural prescriptions tunnel ausgehend von den ein durch die Entstehung der tolerance – mechanical • Normative foundations Baustellen Ahrental und Wolf) Alpen aus Meeressedimenten tunnelling: 42 m2 and technical prescriptions sowie eine für den italienischen entstandenes feinkörniges • Distance between the con- for tender procedures and Abschnitt (Erkundungsstollen, Gestein. Ein charakteristisches necting side tunnels: 300 m implementation planning Haupttunnel ausgehend von Merkmal stellen die ausge- for every lot der Baustelle Mauls). Die Pla- prägten Schieferungsflächen 2 Planning • Uniform evaluation matrix nungen der Randbaulose (Ein- dar. Die Gesteine kommen 2.1 Cross border planning for the geotechnical classi- bindung Bahnhof Innsbruck, hauptsächlich als dunkelgrau- design – guide design fication based on the Italian Rettungsstollen Umfahrung er „Schwarzphyllit“ vor, der Prior to the planning for tender SIG (1997) and Austrian ÖGG Innsbruck, Eisackunterquerung sich mit kalkreichen Phylliten procedures and the implementa- guidelines und Bahnhof Franzensfeste) abwechselt. tion planning, a cross border gui- • Assessment principles, cons- und später der bahntech- Die geplante Tunneltrasse de design has to be drawn up, so tructional design pattern for nischen Ausrüstung erfolgen quert im Valser- und Pfitschtal that the planning of the different a working life of 200 years gesondert. Durch die Vergabe den Aquifer des Hochstegen- lots takes place uniformly and the • Preparation of detailed der Ausschreibungs- und Aus- marmors. Aufgrund der hohen EIA prescriptions can be included interface and type plans führungsplanungen an densel- Bedeutung dieses Aquifers in the planning. It is based on the • Definition of tolerances ben Planer soll gewährleistet wurde ein auf das im Hoch- current level of knowledge and (tolerances depending on werden, dass die Erkenntnisse stegenmarmor-Grundwasser- the newest technological de- measurement and construc- aus dem Erkundungsstollen- fließsystem beschränktes 2- velopments and represents the tion methods) considering programm möglichst voll- D-Simulationsmodell erstellt. point of departure for further subsequent constructions Tunnel 1/2012 Brenner Basistunnel im Bau 21

Geologischer Längsschnitt mit Tunnel 2 Geological longitudinal section of tunnel

Ziel dieser Modellierung ist es, stellt einen hydraulisch dichten • Preparatory measures for the plementation planning will take einerseits Erkenntnisse über Rand dar. Die Modelltiefe wurde railway equipment installation place in 2012. There are 2 major eventuelle Auswirkungen einer mit -500 m ü .A. angenommen. tenders provided in the cons- Grundwasserabsenkung durch Unterhalb dieser Höhe ist von Additionally, the whole rou- truction schedule for the tender die Drainagewirkung der Tun- keiner hydraulischen Wegigkeit te planning is recorded in a procedure and implementation nelröhren zu gewinnen und mehr auszugehen. Das Modell- project co-ordination system: planning, namely one for the andererseits die Wirkungsme- gebiet wird von den Tunnelröh- BBT-TM, represented as a trans- Austrian section (exploratory chanismen von Abdichtungen ren durchörtert, weshalb sie in verse Mercator projection. The tunnel, main tunnel starting from in Bezug auf möglichst geringe der Modellierung als Quer- average project altitude of 720 the construction sites Ahrental Absenkungen des Grundwasser- schnitte dargestellt werden. m of orthometric height is de- and Wolf) and one for the Italian spiegels zu studieren (Bild 2). Die Schichtlagerung des fined, which corresponds to an section (exploratory tunnel, main Da die Durchlässigkeiten Hochstegenmarmors weist ein approximate ellipsoidal height tunnel starting from the Mauls der benachbarten Gesteinsein- Einfallen von 30° bis 45° nach of 770 m. The project area is thus construction site). The planning heiten geringer sind als jene des Nordosten auf. Für die Modell- situated in the area about 10 km of the boundary lots (integrating Hochstegenmarmors und somit bildung wurde der Hochstegen- to the east and west of the cen- Innsbruck Station, rescue tunnel ein Zu- oder Abstrom in die be- marmor in die Vertikale proji- tral meridian. In the present case, Innsbruck by-pass, cros- nachbarten Gesteinseinheiten ziert. Um die für die Berechnung the track distortion is less than 2 sing and Franzensfeste Station) hydrogeologisch vernachläs- der Grundwasserströmungsver- to 3 mm per km. and later the railway technical sigbar ist, wurde eine 2-D-Mo- hältnisse erforderlichen realen In the reference system thus equipment take place separately. dellierung durchgeführt. Das Höhen beizubehalten, wurde created, no further rotations are By the allocation of the tender Modellgebiet beschränkt sich das durch die Drehung über- necessary, as the meridian con- procedure and implementation auf die Grundwasserleiter des höhte Profil dem tatsächlichen vergence is simple to calculate planning to the same planner it Hochstegenmarmors und der Geländeprofil angepasst. and the consequent reduction should be ensured that the fin- quartären Talfüllungen. Als Mo- Für die Talaquifere wurde effect on directions is irrelevant dings from the exploratory tun- dellfläche wurde der gesamte entsprechend ihrer litholo- (the convergence angle is appro- nel program can be integrated as Bereich des hydrogeologischen gischen Zusammensetzung die ximately 4‘). fully as possible in the planning Modellschnittes mit der Grund- in Tabelle 1 aufgeführte kf-Zo- of the main tunnel lot. wasserscheide im Norden und nierung (10 Zonen) vorgenom- 2.2 Tender procedures and In Austria, a tender procedure der hydraulisch dichten Bren- men. In dieser Tabelle findet implementation planning planning with the major project nerabschiebung am Südrand sich auch eine Auflistung der The tenders for external services elements and a detailed service ausgewählt. Die Modellbasis restlichen Modellparameter. to the tender procedure and im- description will be created on 22 Österreich/Italien Austria/Italy Tunnel 1/2012

Bezeichnung Zone Parameter Wert nach Variationen Variationsbreite Quarzphyllit and the central Hochstegenmarmor 1 kf 2,5 x 10-7 m/s 1 x 10-7 - 1 x 10-6 m/s gneiss of the Brenner. This is a Wildlahnertal Hang-, Verwitterungschutt 2 kf 5 x 10-5 m/s 1 x 10-6 - 1 x 10-5 m/s fine-grained rock arising from Valsertal Alluvion 3 kf 1 x 10-4 m/s 1 x 10-4 - 1 x 10-5 m/s the formation of the Alps from Valsertal Bänderton 4 kf 1 x 10-8 m/s 1 x 10-8 - 1 x 10-6 m/s marine sediments. A typical fea- Fluviogalziale Sedimente 5 kf 1 x 10-6 m/s 1 x 10-6 - 1 x 10-5 m/s ture of this rock is its pronounced Valsertal Tillite 6 kf 1 x 10-8 m/s 1 x 10-8 - 1 x 10-7 m/s schistosity. The rocks mainly ap- Venntal Tillablagerungen 7 kf 1 x 10-4 m/s 1 x 10-4 - 1 x 10-7 m/s pear as dark-grey “black phyllite” Silltal Alluvion 8 kf 1 x 10-7 m/s 1 x 10-7 - 1 x 10-4 m/s alternating with layers of lime- Silltal Bändertone 9 kf 1 x 10-7 m/s 1 x 10-8 - 1 x 10-7 m/s stone-rich phyllite. Bänderton 10 kf 1 x 10-5 m/s 1 x 10-8 - 1 x 10-5 m/s The planned tunnel route

Durchlässigkeit der Bachbetten (Leakage factor) c 1 x 10-4 1/s 1 x 10-6 - 1 x 10-3 1/s crosses the aquifer of the Hoch- Grundwasserneubildung r 357 mm/a 262 - 514 mm/a stegen Marble in the Valser and Tunnelabdichtung kf 2,5 x 10-9 m/s valley. Due to the great

Tabelle 1: Hydrogeologische Berechnungsparameter importance of this aquifer, a 2D simulations model confined to Description Zone Parameter Value according to Range of variation the groundwater flow system variations in the Hochstegen Marble has Hochstegen Marble 1 kf 2,5 x 10-7 m/s 1 x 10-7 - 1 x 10-6 m/s been produced. The aim of this Wildlahner valley hillside and weathered 2 kf 5 x 10-5 m/s 1 x 10-6 - 1 x 10-5 m/s modelling is, on the one hand to debris gain knowledge about possible Valser valley alluvion 3 kf 1 x 10-4 m/s 1 x 10-4 - 1 x 10-5 m/s effects of the lowering of ground Valser valley varved clay 4 kf 1 x 10-8 m/s 1 x 10-8 - 1 x 10-6 m/s water through the drainage ef- Fluvioglacial sediments 5 kf 1 x 10-6 m/s 1 x 10-6 - 1 x 10-5 m/s fect of the tunnel tubes and to Valser valley tillite 6 kf 1 x 10-8 m/s 1 x 10-8 - 1 x 10-7 m/s study the effective mechanisms Venn valley till deposits 7 kf 1 x 10-4 m/s 1 x 10-4 - 1 x 10-7 m/s of seals in relation to the lo- valley alluvion 8 kf 1 x 10-7 m/s 1 x 10-7 - 1 x 10-4 m/s Sill valley varved clay 9 kf 1 x 10-7 m/s 1 x 10-8 - 1 x 10-7 m/s west possible drawdown of the Wipp valley varved clay 10 kf 1 x 10-5 m/s 1 x 10-8 - 1 x 10-5 m/s groundwater table (Figure 2). 2-D modelling was carried Permeability of the stream beds (Leakage factor) c 1 x 10-4 1/s 1 x 10-6 - 1 x 10-3 1/s Groundwater recharge r 357 mm/a 262 - 514 mm/a out as the permeability of the Tunnel sealing kf 2,5 x 10-9 m/s adjacent rock units is lower than those of the Hochstegen Marble Table 1: Hydrogeological calculation parameters and thus an increase or effluent Zur numerischen Modellierung len die übrigen Ränder des the basis of the ÖGG guidelines into the adjacent rock units is hy- der Grundwasserströmungsver- Modellschnittes dar; diese and the ÖNORM B 2118 for the drologically negligible. The mo- hältnisse wurde die Methode wurden als undurchlässige tender for tunnel construction del area is therefore exclusively der Finiten Differenzen verwen- Ränder ohne Durchfluss (so- lots and then construction phase limited to the groundwater line det (MODFLOW 2005 der U.S. genannte no flow boundari- of the implementation planning of the Hochstegen Marble and Geological Survey). Bei der Be- es) modelliert. drawn-up. the quaternary valley sediment. rechnung wurden 3 Arten von • Randbedingung 3. Art (Durch- In Italy a detailed implemen- The whole area of the hydroge- Randbedingungen verwendet. lässigkeitsbedingung): Hier tation planning will be created ological model section with the • Randbedingung 1. Art (Fest- wurde ein bestimmtes Po- and detailed construction plans groundwater divide in the north potenzial): Bei der Modellie- tenzial und eine bestimmte drawn-up on the basis of State and the hydraulically sealed Bren- rung der Tunnelröhren wurde Durchlässigkeit für die 5 Decree DM 163/2006 for the ten- ner Fault at the southern edge eine mittlere Höhe der Tun- Bäche definiert und die Ab- der for construction lots. were selected as the model area. nelröhren angesetzt. soluthöhen der Bäche und The model depicts a hydraulical- • Randbedingung 2. Art (Strö- die Durchlässigkeit der Bach- 3 Knowledge gained ly sealed edge. The model depth mungsrandbedingung): Am betten (sogenannter leakage through model simula- was assumed at -500 m a.s.l.; be- oberen Rand des Projektge- factor) festgelegt. tions low this level no further hydraulic bietes wurde eine Grundwas- 3.1 Geo-hydrological modelling motion is likely. The model area is serneubildungsrate von 357 Bei der Modellierung des Ge- The so-called Graubunden crossed from the tunnels, which is mm/a angesetzt. Eine weitere birges ohne Tunnel wurden Slate can be found north of the why they are represented in the Randbedingung 2. Art stel- die Durchlässigkeiten variiert, Brenner between the Innsbruck modelling as cross-sections. Tunnel 1/2012 Brenner Base Tunnel under Construction 23

um einerseits einen realisti- wasserstände. Auch wurden The layering of the Hochstegen For the numerical modelling of schen Bergwasserspiegel zu die Durchlässigkeiten der Marble has an incline of 30° to groundwater flow conditions, erhalten und andererseits die Talfüllungen variiert, um die 45° to the north-east. For the mo- the method of finite differences Durchflussraten der Bäche Bergwasserlinie örtlich in den delling the Hochstegen Marble was used (Modflow 2005 the U.S. wirklichkeitsgetreu nachzu- maßgebenden Punkten an die was projected in the vertical. In Geological Survey). Three types bilden. Bei der Variation des durch Messungen bestimmten order to maintain the real eleva- of boundary condition were leakage factors zeigte sich Höhen anzupassen. Das Ergeb- tions required for the calculation used in the calculation. eine vergleichsweise geringe nis der Variationsrechnung ist of the groundwater flow condi- • Boundary condition 1. Type Sensitivität. Die Festlegung der als Grundwassergleichenplan tions, the profile exaggerated by (fixed potential): An average Durchlässigkeiten hat jedoch in Bild 3 dargestellt. the rotation was adjusted to the height was set when model- eine wesentliche Auswirkung Eine mögliche Absenkung actual terrain profile. ling the tunnels. auf die Simulationsergebnisse. des Bergwasserspiegels durch Valley aquifers were made • Boundary condition 2. Type So ergaben sich beispielswei- die Tunnelröhren wird in Bild 4 according to their lithological (flow boundary condition): se beim Ansatz einer zu hohen dargestellt. Durch eine entspre- composition listed in Table 1 At the upper edge of the Durchlässigkeit des Hochste- chende Tunnelabdichtung (In- kf-zoning (10 zones). A listing of project area, a groundwater genmarmors (kf = 1 x 10-6 m/s) jektionsring: Simulation mittels the remaining model parameters recharge rate of 357 mm/a unrealistisch niedrige Grund- einer 10 m mächtigen Schicht can also be found in this Table. was applied. Another second type of boundary condition 3 is represented by the remai- ning boundaries of the model section; these were modelled as impermeable boundaries without percolation, so-called no flow boundaries. • Boundary condition 3. Type (permeability condition): A specific potential and a spe- Simulationsergebnisse des Gebirges ohne Tunnel cific permeability for the 5 Simulation results of the rock without tunnel streams are defined here and the absolute levels of the 4 streams as well as the per- meability of the stream beds (so-called leakage factor) are determined.

When modelling the rock without a tunnel the permeability is va- ried, on the one hand to obtain a realistic mountain water table Simulationsergebnisse des Gebirges mit Tunnel und möglicher Absenkung des Bergwasserspiegels and on the other hand to faithful- Simulation results of the rock with tunnels and possible lowering of mountain water table ly reproduce the flow rates of the streams. Comparatively low sen- 5 sitivity was shown when varying the leakage factor. The determi- nation of permeability, however, has a significant impact on the simulation results. For example, the use of too high a permeability of the Hochstegen Marble (kf = 1 x 10-6 m/s) resulted in unrea- listically low groundwater levels. Simulationsergebnisse des Gebirges mit abgedichtetem Tunnel The permeability of the valley se- Simulation results of the rock with sealed tunnel diment was also varied in order to 24 Österreich/Italien Austria/Italy Tunnel 1/2012

Tiefere Werte Höhere Werte Einheit be able to adjust the mountain tunnel wall and the supporting E-Modul 5000 15000 [MPa] water lines locally at the decisive effect of the inner lining. By in- Reibungswinkel φ 25 35 [°] points and the known heights. stalling supporting structures Kohäsion c 0,6 1,2 [MPa] The result of this variational cal- like shotcrete linings or seg- culus is depicted in Figure 3 as a ments, the rock pressure and Tabelle 2: Experimentell ermittelte geotechnische Kenndaten groundwater contour plan. the lining resistance are balan- Lower values Higher values Measuring unit A possible lowering of water ced out. The rock mass initially E-Module 5000 15000 [MPa] levels through the rock tunnels has an elastic and then a plastic Friction angle φ 25 35 [°] is depicted in Figure 4. Through behaviour right up to the critical Cohesion c 0,6 1,2 [MPa] an appropriate tunnel seal (injec- area influenced by the suppor- tion ring: simulation using a 10 ting pressure of the lining. There Table 2: Experimentally determined geotechnical characteristics m thick layer around the tunnels is equilibrium at the intersection Radius 2,9 [m] with a lower permeability than of both characteristic rock lines Poissonzahl 0,2 [-] that of the Hochstegen Marble) (Table 3). Überlagerung 300 [m] the lowering of the underground When taking into considera- Wichte 26,0 [kN/m3] water level is reduced to low, ac- tion the ranges of geotechnical ceptable levels (Figure 5). characteristics, several characte- Tabelle 3: Basisdaten für die Gebirgskennlinie ristic rock lines result from the Radius 2.9 [m] 3.2 Geotechnical modelling calculations, as it is shown for Poisson‘s ratio 0.2 [-] At the section between Inns- the section of the exploratory Overlying formation 300 [m] bruck and the Ahrental we meet tunnel Innsbruck-Ahrental (Fi- Specific weight 26.0 [kN/m3] the so-called Innsbruck Quartz- gure 6, 7). With a rock pressure phyllite. It is a metamorphic rock (supporting pressure) of 1 MPa, Table 3: Basic data for the characteristic rock line in layers consisting mainly of mi- radial displacements of the tun- um die Tunnelröhren mit einer Feldspat zusammensetzt. Dort nerals such as quartz, mica and nel wall of 2 mm (higher values) geringeren Durchlässigkeit wurden für das Einreichprojekt feldspar. Here, the submission to 8 mm (lower values) occur. als jene des Hochstegenmar- die geotechnischen Kenndaten project of the geotechnical cha- The measured deformations mors) kann die Absenkung des experimentell als Bandbreiten, racteristics were experimentally in the exploratory tunnel are Bergwasserspiegels auf ein ge- also obere und untere Werte, determined as ranges, i.e. upper compared with the characteristic ringes, vertretbares Maß redu- ermittelt. Beispielhaft wurden and lower values. As an example method or by numerical simula- ziert werden (Bild 5). für die Gebirgsart IQP-1QP-1a-E for the rock type IQP-1QP-1a-e tions (Flac 2D or 3D) computed folgende Parameter festgelegt the following parameters were quantities. This makes it possible 3.2 Geotechnische Modellie- (Tabelle 2). determined (Table 2). to some extent to describe the rung Für die Berechnung der For the calculation of the rock and more specifically calcu- Im Abschnitt zwischen Innsbruck Gebirgskennlinie wurde das characteristic rock line the mo- late the main tunnel by model und dem Ahrental treffen wir Modell von Sulem/Panet (1987) del by Sulem/Panet (1987) was simulations. den sogenannten Innsbrucker herangezogen. Sulem /Panet used. For their calculation Su- Quarzphyllit an. Er ist ein meta- verwenden für ihren Betrach- lem/Panet used an MC-material 4 Construction morphes, geschiefertes Gestein, tungen ein MC-Materialmo- model. The characteristic rock Of the 200 km (approximate fi- das sich hauptsächlich aus den dell. Die Gebirgskennlinie stellt line illustrates the link between gure with lengths rounded up) Mineralen Quarz, Glimmer und den Zusammenhang zwischen the radial displacements of the in total of tunnels, cross sections, and lateral access, exploratory and main tunnels that are to be Plastischer Radius nach Sulem/Panet built, some 20 km of that figure Plastic radius according to Sulem/Panet had been constructed by the end of December 2011. In the

Radiale Hohlraumverschiebung nach Sulem/Panet process, 11 km were bored using Radial cavity shift according to Sulem/Panet a double-shielded TBM (Aicha- Mules) and the remaining tun- Stützmittelkoeffizient „λ“ beschreibt das Fortschreiten nels were excavated conventi- der Ortsbrust onally by blasting. So far, there Proppant coefficient „λ“ describes the progress of the have been no large water inflows working face recorded and the rock that has Tunnel 1/2012 Brenner Basistunnel im Bau 25

been encountered is better than rable projects with due regard to 6 the one the geological studies local conditions in terms of cons- had envisaged. truction logistics. After having All those at aboveground carried out a detailed analysis, construction sites, except the 2 the construction program was train stations of Innsbruck and drawn up in the form of a time- Franzensfeste, have already been distance-diagram and discussed constructed. From these points, with technical experts. Thereby, a total of 4 lateral access tunnels it was necessary to take account run down to the level of the ex- of different excavation methods ploratory tunnel and the rescue as well as the terms and dead- tunnel at the lines for planning, tendering and (Figure 8). awarding activities. The time- distance-diagram comprises all 4.1 Construction program in construction activities, starting Standardquerschnitt Erkundungsstollen Innsbruck Ahrental für das Kenn- 2011 from structural works up to the linienverfahren The construction program for beginning of operations and all Standard cross-sectional exploratory tunnel Innsbruck Ahrental for the characteristic method the Brenner Base Tunnel was necessary planning and tende- drawn up in 2010 on the basis ring periods. The Brenner Base der radialen Hohlraumrand- dar. Durch das Einbringen einer of the EIA authorizations and is Tunnel 2010 construction pro- verschiebung und der inneren stützenden Sicherungsschale based on the excavation durati- gram was optimized based on Stützwirkung des Ausbaues in Form von Spritzbeton oder on assessed within other compa- new construction logistic expe-

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www.ett-s.de ETT Ersatzteil-Technik GmbH [email protected] Benzstraße 5 · 71409 Schwaikheim · Tel. (07195) 5031 · Fax 57024 26 Österreich/Italien Austria/Italy Tunnel 1/2012

red south of Mules. The access 7 tunnel was excavated by blasting and work ended in 2009. The exca- vated cross section is around 105 m2. Consolidation took place with fibre-reinforced shotcrete and in partial areas with anchor ele- ments (Superswellex). Excavation by blasting took place full surface: Compact resistant rock was found along approximately 95 % of the tunnel. Rock with structurally re- lated fractures was determined in the remaining 5 %.

4.3 Wolf intermediate access tunnel In summer 2010, the tunnel Bandbreite der Gebirgskennlinien beim Innsbrucker Quarzphyllit portal of the Wolf intermediate Range of the characteristic rock line in the Innsbruck “Quartzphyllite” access tunnel was created with Tübbingen stellt sich ein Gleich- diale Hohlraumverformungen rience and improved geological the passage under the existing gewicht zwischen dem einwir- zwischen 2 mm (höhere Werte) and hydrogeological know-how. . From there a uti- kenden Gebirgsdruck und dem und 8 mm (tiefere Werte). The end of construction of the lity and access tunnel, about 700 Widerstand des Ausbaues ein. Die gemessenen Verfor- railway technical equipment is m in length, branches off in a nor- Das Gebirge verhält sich bis zum mungen im Erkundungsstollen scheduled for 2025 and commis- therly direction from the Padaster kritischen Ausbaustützdruck werden den durch das Kennli- sioning planned for December tunnel. The roughly 3.5 km long elastisch und danach plastisch. nienverfahren bzw. durch nu- 2026. The construction program intermediate access tunnel bran- Im Schnittpunkt der beiden merische Simulationen (Flac is updated annually; the upda- ches out in a southerly direction Kennlinien herrscht Gleichge- 2D bzw. 3D) berechneten Grö- ted construction program 2011 with a gradient of 10 %, which wicht (Tabelle 3). ßen gegenübergestellt. Damit is depicted in Fig. 9. will be constructed by blasting Unter Berücksichtigung gelingt es ansatzweise durch According to the latest know- through the Graubunden Slate. der Bandbreiten der geotech- Modellsimulationen das Ge- ledge, it is assumed that about 70 nischen Kenndaten ergeben birge zu beschreiben und für % of the tunnel will be excavated 4.4 Ahrental intermediate sich ganz unterschiedliche den Haupttunnel gezielter zu using machinery and about 30 % access tunnel Gebirgskennlinien, wie dies berechnen. with conventional methods. The Ahrental intermediate ac- beim Erkundungsstollen In- cess tunnel, which is 2.4 km nsbruck-Ahrental aufgezeigt 4 Bau 4.2 Mules intermediate access long and slopes downwards by wird (Bild 6, 7). So entstehen Von den insgesamt etwa 200 tunnel 10.5 %, has been bored conven- bei einem Gebirgsdruck (Aus- km (Längen aufsummiert) zu The 1.8 km long access tunnel, tionally through the Innsbruck baustützdruck) von 1 Mpa ra- errichtenden Stollen, Quer- with a gradient of 8.5 %, was bo- Quartzphyllite since the summer

Aktuelle Baustellen 8 Current construction site Tunnel 1/2012 vom 16. bis 21. April 2012 schlägen, Fenster-, Erkun- gischer und hydrogeologischer Paris-Nord Villepinte - Frankreich dungs- und Hauptstollen wur- Erkenntnisse bauwirtschaftlich den bis Ende Dezember 2011 optimiert. Das Bauende mit der etwa 20 km gebaut. Dabei bahntechnischen Ausrüstung ist wurden 11 km mittels einer für 2025 und die Inbetriebnah- Doppelschildmaschine (Aicha me mit Dezember 2026 geplant. – Mauls) aufgefahren und die Jährlich wird das Bauprogramm Internationale Ausstellung von Maschinen und übrigen Stollen konventionell aktualisiert, weshalb in Bild 9 das Technik für die Bau- und Baustoffindustrie mit Sprengvortrieb vorgetrie- aktualisierte Bauprogramm 2011 ben. Bisher sind keine größeren dargestellt wird. Wasserzutritte zu verzeichnen Auf der Grundlage des der- und das angetroffene Gebirge zeitigen Kenntnisstandes kann Together let’s build the future ist besser als die geologischen man davon ausgehen, dass Untersuchungen ergaben. etwa 30 % konventionell und An allen oberirdischen 70 % maschinell vorgetrieben 1,500 Baustellen, außer den beiden werden. Aussteller Bahnhöfen Innsbruck und Fran- 200,000 zensfeste, wird schon gebaut. 4.2 Fensterstollen Mauls Besucher Von diesen Stellen führen ins- Südlich von Mauls wurde der 375,000 m2 gesamt 4 Fensterstollen in die 1,8 km lange Zugangstunnel Ausstellungsfläche Tiefe auf das Niveau des Erkun- mit einem Gefälle von 8,5 % dungsstollens bzw. Rettungss- im Brixner Granit aufgefahren. tollen bei der Umfahrung von Der Zugangstunnel wurde Innsbruck (Bild 8). mittels Sprengvortrieb aus- gebrochen und im Jahr 2009 4.1 Bauprogramm 2011 fertig gestellt. Der Ausbruch- Das Bauprogramm 2010 des querschnitt betrug etwa 105 Brenner Basistunnels wurde auf m2. Die Sicherung erfolgte Basis der UVP-Genehmigungen, mit faserverstärktem Spritz- aufbauend auf ermittelten Aus- beton und in Teilbereichen bruchzeiten von vergleichbaren mit Ankern (Superswellex). Projekten unter Berücksichti- Der Tunnel wurde vollflächig gung der lokalen baulogisti- im Sprengvortrieb ausgebro- schen Möglichkeiten erstellt. chen: Auf einer Länge von Nach einer eingehenden Analy- ca. 95 % des Tunnels wurde se wurde das Bauprogramm in standfestes Gebirge angetrof- Form eines Weg-Zeit-Diagramms fen. Auf den restlichen 5 % erstellt und mit externen Fach- wurde ein Gebirge mit gefü- experten diskutiert. Notwendig gebedingten Nachbrüchen war es dabei neben den verschie- festgestellt. To read the QR code, download the application compatible with your mobile phone. denen Vortriebsmethoden auch die Planungs- und Ausschrei- 4.3 Fensterstollen Wolf ihr kostenloser eintrittsausweis auf code: bungs- bzw. Vergabezeiten zu Im Sommer 2010 wurde mit www.intermat.fr PRoMoAll berücksichtigen. Das Weg-Zeit- der Unterquerung der be- Your Badge Diagramm umfasst die gesamt- stehenden Brennerbahn das VISITEURvisitor / VISITOR hotline: + 33 (0)1 55 23 71 71 en Bautätigkeiten vom Rohbau Eingangsportal zum Fenster- bis zur Inbetriebnahme mit den stollen Wolf geschaffen. Von IMF GmbH - Ilona Wohra dazu notwendigen Planungs- dort zweigt nördlich ein etwa an event by Worringer Straße 30 - 50668 Köln und Ausschreibungszeiten. Das 700 m langer Zufahrts- und Tel: 0221/13 05 09 02 Bauprogramm 2010 des Brenner Versorgungsstollen, der Pada- Fax: 0221/13 05 09 01 [email protected] Basistunnels wurde auf Basis stertunnel ab. Südlich zweigt neuer baulogistischer Erfah- der etwa 3,5 km lange Fenster- rungen und verbesserter geolo- stollen mit einem Gefälle von 28 Österreich/Italien Austria/Italy Tunnel 1/2012

Aktualisiertes Bauprogramm 2011 Updated construction program 2011 Tunnel 1/2012 Brenner Basistunnel im Bau 29

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10 % ab, der mittels Spreng- bis Ende Januar 2012 insge- of 2010. The excavated cross sec- 4.6 Innsbruck – Ahrental vortrieb im Bündner Schiefer samt etwa 6 km aufgefahren. tion is around 105 m2. After the exploratory tunnel errichtet werden wird. In einigen Abschnitten war ein portal, the access tunnel passes A total of about 6 km were bo- erhöhtes Nachbrüchigkeitsver- under the Brenner highway A13. red from the conventional bored 4.4 Fensterstollen Ahrental halten durch flach liegende In this area, the tunnel was cons- exploratory tunnel Innsbruck - Der 2,4 km lange und 10,5 % Schieferung und Verschnitte tructed with a pipe roof, in order Ahrental up to end January 2012. fallende Fensterstollen Ahrental mit steil stehenden Klüften zu to achieve a load-bearing vault In some sections an increased wird seit Sommer 2010 im Inns- verzeichnen. effect. By the end of 2011, some fraction behaviour with steep brucker Quarzphylit konventio- 1.5 km had been excavated by dipping clefts was recorded due nell aufgefahren. Der Ausbruch- 4.7 Erkundungsstollen Aicha blasting, whereby only short to flat-lying foliation and waste. querschnitt weist etwa 105 m2 – Mauls advancements were possible auf. Nach dem Portal unterquert Vom maschinell vorgetriebenem through the flat-lying quartz- 4.7 Aicha – Mules exploratory der Zugangstunnel die Brenner- Erkundungsstollen Aicha – Mauls phyllite slabs. tunnel autobahn A13. In diesem Bereich wurden etwa 11,5 km ausgebro- From the mechanically exca- wurde der Tunnel mit einem chen. Derzeit wird in Richtung 4.5 Ampass intermediate vated exploratory tunnel Aicha Rohrschirm gebaut, um dadurch Norden im Bereich der periadri- access tunnel – Mules approximately 11.5 km eine Gewölbetragwirkung zu er- atischen Naht gearbeitet. Mittels The Ampass intermediate access was broken out. Work is current- reichen. Ende 2011 waren etwa Sondierbohrungen werden die tunnel is about 1,400 m long. The ly underway to the north in the 1,5 km mittels Sprengvortrieb einzelnen Teilabschnitte vorer- excavated cross-section is appro- area of the periadriatic seam. vorgetrieben, wobei bei den kundet und der Sprengvortrieb ximately 35 m². Due to the redu- Using exploratory drilling the flachliegenden Quarzphyllit- bzw. die Erstsicherung entspre- ced cross section 2 overtaking individual sections are analyzed platten nur geringe Abschlags- chend angepasst. niches and 2 niches for turning and the blasting method and/or längen möglich sind. manoeuvres will be excavated in the first restraining elements and 5 Ausblick the Ampass intermediate access adapted accordingly. 4.5 Fensterstollen Ampass Die Bauphase (Phase III) wurde tunnel. Work on the construction Der Fensterstollen Ampass hat beim Brenner Basistunnel am began in September 2011. The 5 Future prospects eine Länge von ca. 1.400 m. Der 18. April 2011 eingeleitet. Un- portal area has been constructed The construction phase (Phase III) Ausbruchquerschnitt beträgt ter Einbindung der Erfahrung with a length of about 14 m as of the Brenner Base Tunnel was etwa 35 m². Im Fensterstollen von vergleichbaren Tunnelpro- an artificial tunnel. The region initiated on 18 April 2011. By dra- Ampass werden aufgrund des jekten, mit Unterstützung von road L283 will be relocated over wing on experience from similar geringen Querschnittes 2 Aus- numerischen Simulationen zur the covering. Blasting will be- tunnel projects, the support of weichnischen und 2 Wende- Erweiterung des Verständnisses gin in March 2012. According numerical simulations for ex- nischen aufgefahren. Im Sep- und mit fachkundigen, teamfä- to the geologic forecast, loose panding understanding, expert, tember 2011 wurde mit den higen Mitarbeitern sowie mit rocks of the moraine faces will team-oriented colleagues, and Bauarbeiten begonnen. Der Por- hervorragenden externen In- occur along the first 300 m. The outstanding external engineering talbereich wurde auf einer Länge genieurdienstleistern und Bau- following 1,000 m must be exca- service providers and construc- von ca. 14 m in Deckelbauweise firmen werden wir den Brenner vated in the Innsbruck Quartz- tion companies, we will build the errichtet. Die Landesstraße L283 Basistunnel bauen. phyllite complex. Brenner Base Tunnel. verläuft dann auf dieser Deckel- platte. Im März 2012 wird mit Literatur/References dem Sprengvortrieb begonnen. [1] Bergmeister, K.: Brenner Basistunnel – Der Tunnel kommt. Tappeinerverlag – Lana. 2011, 263 Seiten [2] ÖGG – Richtlinie: Kostenermittlung für Projekte der Verkehrsinfrastruktur unter Berücksichtigung relevanter Laut geologischer Prognose ste- Projektrisiken. Salzburg 2005 hen auf den ersten ca. 300 m Lo- [3] Quick, H.; Bergmeister, K.; Facchin, E.; Michael, J.: Aicha-Mauls on the Brenner Base Tunnel – status oft he works ckergesteine der Moränenfazies and results. In: Geomechanics and Tunneling. Ernst § Sohn Company, 2010, p. 520 – 533 an. Die weiteren ca. 1.000 m sind [4] Flora, M.; Purrer, W.; Bergmeister, K.: Characteristics and potential of the NATM, ADECO-RS and mechanized methods of tunneling. In: Geomechanics and Tunneling. Ernst § Sohn Company, 2011, no. 5, p. 489 – 498 im Innsbrucker Quarzphyllit auf- [5] Anderson, M. P. and Woessner, W. W. (1992). Applied Groundwater Modeling. Academic Press, San Diego. zufahren. [6] Harbaugh, A.W. (2005): Modflow-2005, the U.S. geological survey groundwater model – the groundwater process. [7] Kinzelbach, W., R. and Rausch, R. (1989): ASM, An Aquifer Simulation Model. IGWMC, Indianapolis-Delft, 1989. 4.6 Erkundungsstollen Inns- [8] McDonald, M. G. and Harbaugh, A.W. (1988): Modflow, A modular three-dimensional finite difference ground- bruck - Ahrental water flow model, U.S. Geological Survey, Open file report 83-875. Vom konventionell aufge- [9] Wen-Hsing Chiang, Wolfgang Kinzelbach and Randolf Rausch (1998): Aquifer simulation model for Windows. fahrenen Erkundungsstollens Groundwater flow and transport modeling, an integrated program [10] Sulem/Panet Innsbruck – Ahrental wurden