Prediction of fault zones based on geological and geotechnical observations during tunnel construction

Gerold Lenz, Alexander Kluckner, Robert Holzer, Thomas Stadlmann, Tobias Schachinger, Gerhard Gobiet

Research output: Contribution to journalArticleResearchpeer-review

Abstract

During the construction of the Semmering Base Tunnel, Lot SBT1.1, the drives have already encountered several fault zones in the Greywacke Zone. Because of the high overburden, the exact position of these fault zones is unknown at tunnel level; a common problem for all tunnelling projects in mountainous regions. Simple exploration drilling techniques such as percussion drillings, where only cuttings and not cores are won, do not always provide enough information to precisely specify the position of the fault zones or their nature ahead of the face. This is reason enough to examine other possibilities for the short-term prediction of fault zones with differing characteristics ahead of the face. Usually displacement data evaluation provides the basis for a short-term prediction of the system behaviour. However, experiences from Lot SBT1.1 show that applying this approach solely does not always yield satisfying results. A further systematic analysis of selected geological data can improve the short-term prediction. In particular, changes of discontinuity and rock mass characteristics mapped at the tunnel face are analysed to spot significant trends indicating fault zones ahead of the face. These trends are then related to and verified by the results of displacement data evaluation. This combination of rock mass characteristics mapped at the face and state-of-the-art evaluation of displacement data has helped to improve the reliability of short-term predictions during the tunnel excavation.
Translated title of the contributionPrediction of fault zones based on geological and geotechnical observations during tunnel construction
Original languageMultiple languages
Pages (from-to)366-379
Number of pages14
JournalGeomechanics and Tunnelling
Volume10
Issue number4
DOIs
Publication statusPublished - Aug 2017

Fingerprint

fault zone
Tunnels
tunnel
prediction
Drilling
Rocks
Tunneling (excavation)
drilling
Excavation
graywacke
overburden
rock
discontinuity
excavation
evaluation
trend

Keywords

  • tunnelling
  • fault zone
  • short-term prediction
  • system behaviour
  • engineering geology

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Prediction of fault zones based on geological and geotechnical observations during tunnel construction. / Lenz, Gerold; Kluckner, Alexander; Holzer, Robert; Stadlmann, Thomas; Schachinger, Tobias; Gobiet, Gerhard.

In: Geomechanics and Tunnelling , Vol. 10, No. 4, 08.2017, p. 366-379.

Research output: Contribution to journalArticleResearchpeer-review

Lenz, Gerold ; Kluckner, Alexander ; Holzer, Robert ; Stadlmann, Thomas ; Schachinger, Tobias ; Gobiet, Gerhard. / Prediction of fault zones based on geological and geotechnical observations during tunnel construction. In: Geomechanics and Tunnelling . 2017 ; Vol. 10, No. 4. pp. 366-379.
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title = "Prediction of fault zones based on geological and geotechnical observations during tunnel construction",
abstract = "Beim Vortrieb des Semmering-Basistunnels wurden im Baulos SBT1.1 bisher mehrere St{\"o}rungszonen in der Grauwackenzone durch{\"o}rtert. Wie im Gebirgstunnelbau mit gr{\"o}{\ss}eren {\"U}berlagerungen {\"u}blich, ist die metergenaue Lage dieser St{\"o}rungszonen auf Tunnelniveau nicht bekannt und Tastbohrungen von der Ortsbrust aus nicht immer aussagekr{\"a}ftig. Diese Umst{\"a}nde wurden als Anlass genommen, die M{\"o}glichkeiten einer Kurzzeitprognose von St{\"o}rungszonen zu evaluieren. Dieser Beitrag zeigt die Auswirkungen von St{\"o}rungszonen unterschiedlicher Auspr{\"a}gung auf das Systemverhalten des Tunnels bei der Durch{\"o}rterung. Die systematische Analyse der geotechnischen Messdaten bildet hierzu eine elementare Grundlage, f{\"u}hrt aber alleine nicht immer zum Ziel. Anhand der Erfahrungen beim Baulos SBT1.1 wird gezeigt, dass auch eine systematische Auswertung ausgew{\"a}hlter geologischer Parameter und geotechnische Beobachtungen beim Vortrieb wichtige Grundlagen f{\"u}r eine Kurzzeitprognose bilden k{\"o}nnen. Die Entwicklung des Gef{\"u}ges und der geotechnischen Eigenschaften des Gebirges an der Ortsbrust im Nahbereich von St{\"o}rungszonen wird analysiert und mit den Ergebnissen der geotechnischen Messungen korreliert. Die Kombination dieser Beobachtungen mit der Messdatenauswertung soll ein fr{\"u}hzeitiges Erkennen von {\"A}nderungen in den geotechnischen Verh{\"a}ltnissen, insbesondere von St{\"o}rungszonen, im Vortrieb erleichtern.",
keywords = "tunnelling, fault zone, short-term prediction, system behaviour, engineering geology",
author = "Gerold Lenz and Alexander Kluckner and Robert Holzer and Thomas Stadlmann and Tobias Schachinger and Gerhard Gobiet",
year = "2017",
month = "8",
doi = "10.1002/geot.201700014",
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volume = "10",
pages = "366--379",
journal = "Geomechanics and Tunnelling",
issn = "1865-7362",
publisher = "Ernst & Sohn",
number = "4",

}

TY - JOUR

T1 - Prediction of fault zones based on geological and geotechnical observations during tunnel construction

AU - Lenz, Gerold

AU - Kluckner, Alexander

AU - Holzer, Robert

AU - Stadlmann, Thomas

AU - Schachinger, Tobias

AU - Gobiet, Gerhard

PY - 2017/8

Y1 - 2017/8

N2 - Beim Vortrieb des Semmering-Basistunnels wurden im Baulos SBT1.1 bisher mehrere Störungszonen in der Grauwackenzone durchörtert. Wie im Gebirgstunnelbau mit größeren Überlagerungen üblich, ist die metergenaue Lage dieser Störungszonen auf Tunnelniveau nicht bekannt und Tastbohrungen von der Ortsbrust aus nicht immer aussagekräftig. Diese Umstände wurden als Anlass genommen, die Möglichkeiten einer Kurzzeitprognose von Störungszonen zu evaluieren. Dieser Beitrag zeigt die Auswirkungen von Störungszonen unterschiedlicher Ausprägung auf das Systemverhalten des Tunnels bei der Durchörterung. Die systematische Analyse der geotechnischen Messdaten bildet hierzu eine elementare Grundlage, führt aber alleine nicht immer zum Ziel. Anhand der Erfahrungen beim Baulos SBT1.1 wird gezeigt, dass auch eine systematische Auswertung ausgewählter geologischer Parameter und geotechnische Beobachtungen beim Vortrieb wichtige Grundlagen für eine Kurzzeitprognose bilden können. Die Entwicklung des Gefüges und der geotechnischen Eigenschaften des Gebirges an der Ortsbrust im Nahbereich von Störungszonen wird analysiert und mit den Ergebnissen der geotechnischen Messungen korreliert. Die Kombination dieser Beobachtungen mit der Messdatenauswertung soll ein frühzeitiges Erkennen von Änderungen in den geotechnischen Verhältnissen, insbesondere von Störungszonen, im Vortrieb erleichtern.

AB - Beim Vortrieb des Semmering-Basistunnels wurden im Baulos SBT1.1 bisher mehrere Störungszonen in der Grauwackenzone durchörtert. Wie im Gebirgstunnelbau mit größeren Überlagerungen üblich, ist die metergenaue Lage dieser Störungszonen auf Tunnelniveau nicht bekannt und Tastbohrungen von der Ortsbrust aus nicht immer aussagekräftig. Diese Umstände wurden als Anlass genommen, die Möglichkeiten einer Kurzzeitprognose von Störungszonen zu evaluieren. Dieser Beitrag zeigt die Auswirkungen von Störungszonen unterschiedlicher Ausprägung auf das Systemverhalten des Tunnels bei der Durchörterung. Die systematische Analyse der geotechnischen Messdaten bildet hierzu eine elementare Grundlage, führt aber alleine nicht immer zum Ziel. Anhand der Erfahrungen beim Baulos SBT1.1 wird gezeigt, dass auch eine systematische Auswertung ausgewählter geologischer Parameter und geotechnische Beobachtungen beim Vortrieb wichtige Grundlagen für eine Kurzzeitprognose bilden können. Die Entwicklung des Gefüges und der geotechnischen Eigenschaften des Gebirges an der Ortsbrust im Nahbereich von Störungszonen wird analysiert und mit den Ergebnissen der geotechnischen Messungen korreliert. Die Kombination dieser Beobachtungen mit der Messdatenauswertung soll ein frühzeitiges Erkennen von Änderungen in den geotechnischen Verhältnissen, insbesondere von Störungszonen, im Vortrieb erleichtern.

KW - tunnelling

KW - fault zone

KW - short-term prediction

KW - system behaviour

KW - engineering geology

U2 - 10.1002/geot.201700014

DO - 10.1002/geot.201700014

M3 - Artikel

VL - 10

SP - 366

EP - 379

JO - Geomechanics and Tunnelling

JF - Geomechanics and Tunnelling

SN - 1865-7362

IS - 4

ER -