Design and construction of tunnel portals under difficult geotechnical conditions

Abstract Between the German city of Dresden and the Czech capital Prague a 4-lane highway is under con-struction. At the outskirts of Dresden it will cross the narrow and deeply eroded Weißeritz Valley by a bridge. Two twin tube tunnels under oblique angles join the bridge out of the rocky valley flanks. The different geotechnical conditions of these 4 tunnel portals, their design and construction are described within this publication. The two southern portals of the tunnel Dölzschen are situated within a vertical 65 m high former quarry slope, 25 m above the valley floor. The slope proved instable due to toppling failure and exposed serious rockfall risks. Systematic anchoring, scaling, rock bolting, netting and filling under extreme access conditions eliminated these risks. Tunnel excavation started from the slope surface without any pre-cut or conventional portal construction. The opposite northern portals of the tunnel Coschütz are situated in more gentle rock slopes. After removal of debris, excavation of the eastern tunnel started in a 30° slope striking oblique to the driving direction, without any precut, too. Because of the gentle slope inclination the cross section was not earlier completely covered by rock than 30 m behind. The western tunnel started from an optimized short, narrow and steep precut. Its flanks were stabilized by reinforced shotcrete and rock bolts. Because of the small distance between the tubes rock bolts were drilled into the cross section of the neighboring tunnel. Tunnel excavation was made by drill and blast operation, preliminary support consisted of steel arches, reinforced shotcrete and radial rock bolts. Thorough survey of the bolt’s coordinates and direction prevented them from meeting each other. Rock bolts were of the permanent type to prevent the final lining from being obliquely loaded. Systematically arrayed measuring devices checked deformations of slopes and tunnels. Zusammenfassung Der Neubau der Bundesautobahn A 17 wird Dresden und Prag miteinander verbinden. Die vierspurige Autobahn quert westlich von Dresden das enge und tief eingeschnittene Tal der Wilden Weißeritz mit einer Brücke. An beide Brückenwiderlager schließen mit schiefwinkligem Anschnitt doppelröhrige Tunnel an, deren Portale in den felsigen Talflanken liegen. Die unterschiedlichen geotechnischen Verhältnisse, die Überlegungen für einen jeweils optimalen Entwurf und der Bau der portalnahen bergmännischen Tunnelabschnitte sind Gegenstand dieser Veröffentlichung. Die Südportale des Tunnels Dölzschen liegen in einer vertikalen, 65 m hohen Felswand, 25 m über dem Talgrund. Die Felswand erwies sich als global kippgefährdet, außerdem lagen flächig verteilte erhebliche Steinschlag- und Felssturzrisiken für Bau und Betrieb vor. Die Kippgefahr wurde durch ein Systemraster aus vorgespannten Felsankern, die Steinschlag- und Felssturzrisiken durch bergsteigerisches Beräumen mit dem Brecheisen, Felsnägel und Steinschlagschutznetze eliminiert. Der Tunnelausbruch begann von einer Vorschüttung direkt in der Felswand ohne Voreinschnitt im Schutz einer kurzen Luftbogenstrecke. Die gegenüberliegenden Nordportale des Tunnels Coschütz befinden sich in wesentlich flacheren Hängen. Nach dem Aushub einer mehrere Meter dicken Abraumhalde begann der Tunnelausbruch der östlichen Röhre asymmetrisch mit einer Luftbogenstrecke in einer spitzwinklig zur Vortriebsrichtung streichenden, 30° mit dem Vortrieb steigenden Felsfläche, ebenfalls ohne Voreinschnitt. Wegen der flachen Neigung der Böschung war der Tunnelquerschnitt erst nach 30 m vollständig überdeckt. Für den Vortrieb der westlichen Tunnelröhre mussten erst eine zwischen den Röhren vorhandene Felsnase teilweise abgetragen, die westlich anschließende zurückspringende Felswand vertikal gestellt und gesichert und Felsaushub in der rechten Flanke getätigt werden. Der damit entstehende Voreinschnitt wurde so kurz wie möglich und ohne seitliche Arbeitsräume ausgeführt. Die Sicherung der Böschungen erfolgte mit bewehrtem Spritzbeton und Felsnägeln. Wegen des geringen Abstands der beiden Röhren wurden die unteren Lagen der radialen Ausbruchsicherung durchgeankert. Der Tunnelvortrieb begann im Schutz eines geankerten Portalkranzes und ebenfalls von einer Luftbogenstrecke aus.