Pre-stressed tunnel lining - pushing traditional concepts to new frontiers / Neue Grenzen für passiv vorgespannte Druckstollenauskleidungen

Pressure tunnels with pre-stressed concrete linings are recognised as state-of-the-art technology. Numerous pre-stressed concrete linings, featuring diameters of up to 6 m, have been successfully implemented over the last few decades.
This paper on the Niagara Tunnel Facility Project (NTFP) illustrates how the concept of passive pre-stressing can be further developed for application in increasingly complex geometrical and geotechnical boundary conditions. The diversion tunnel with an excavation diameter of 14.4 m was advanced in horizontal layers of sedimentary rock, which are characterised by a wide range of strengths and anisotropic stiffnesses as well as by pronounced time-dependent deformation behaviour. The in-situ stress field is marked by an exceptionally high horizontal stress, which s several times greater than the overburden pressure. The ground has a considerable swelling potential and is highly aggressive to concrete. This combination of difficult geotechnical conditions and unusual structural dimensions poses an unprecedented challenge to the designers with respect to both the design of the pre-stressed final lining and the planning of the grouting works. The long-term behaviour is modelled with the help of higher-order creep and shrinkage laws, which are calibrated based on trials and measurements.
Druckstollen mit vorgespannter Betonauskleidung stellen einen anerkannten Stand der Technik dar. Für passiv vorgespannte Druckstollenauskleidungen liegt eine Vielzahl an langjährigen Erfahrungen für Durchmesser bis 6 m vor.
Dieser Beitrag erläutert anhand des Beispiels des Niagara Tunnel Facility Projects (NTFP), wie das Konzept der passiven Vorspannung auf geometrisch wie geotechnisch ungewöhnliche Rahmenbedingungen erweitert werden kann. Der Umleitungstunnel mit einem Ausbruchdurchmesser von 14,4 m wurde in einer horizontalen Wechselfolge von Sedimentgesteinen vorgetrieben, die eine große Bandbreite an Festigkeiten und anisotropen Steifigkeiten sowie ein ausgeprägtes zeitabhängiges Verformungsverhalten aufweisen. Das Primärspannungsfeld ist charakterisiert durch ungewöhnlich hohe Horizontalspannungen, die ein Vielfaches des Überlagerungsdrucks betragen. Es besteht ein ausgeprägtes Quellpotenzial sowie ein stark betonaggressives Milieu. Die Kombination aus schwierigen geotechnischen Verhältnissen mit ungewöhnlichen Bauwerksdimensionen, stellt den Entwurf der vorgespannten Innenschale vor eine bislang unbekannte Herausforderung hinsichtlich Dimensionierung und Planung der Verpressarbeiten. Das Langzeitverhalten wird mithilfe höherwertiger Kriech- und Schwindgesetze abgebildet, die anhand von Versuchen und Messungen kalibriert wurden.