Materials management atthe Gotthard Base ... - Alptransit Gotthard AG

Rupert Lieb
Materials management at the Gotthard Base Tunnel
experience from 15 years of construction
Materialbewirtschaftung am Gotthard-Basistunnel
Erkenntnisse aus 15 Jahren Ausführung
The management of the handling of approximately 25 m tonnes of
spoil material from the Gotthard Base Tunnel was and still is an
enormous challenge. Apermit system for concrete mixes and
continuous testing of the excavated raw material and the grading
of the broken rock ensure that as much spoil material as possible
can be reused for the production of high-quality concretes and
shotcretes for the construction of the tunnel.
Although a generous margin has been applied to forecasts
in materials management since the start of the project, extensive
alterations were necessary to the plans and facilities for materials
management to deal with the actual development of the project.
The main reasons for this were changes to the schedule of
material production and requirements and changes of material
quantities within and between the individual sections. It has
proved possible so far to avoid materials management becoming
a factor holding back the performance.
1 Introduction
When the application for the approval of the conditional
project for the intermediate heading Sedrun for the Gotthard
BaseTunnel (GBT) was handed in to the SwissPederal
Transport and Energy Industry Department, today
UVEK, in October 1994,point 3 requested:"The statutory
permit [or construction should include the approval of the
required material excavation and material storage locations
as well as the required landfill sites."
At the end of April 2009,about 15yearsafter the conceptsfor
materials handling for the Gotthard BaseTunnel
were produced, the tunnelling work and thus the production
of spoil material are about 85 % complete.The development
of the project in this period hashad an enormous
effect on the managementof materials,in addition to other
influences. This article explainsthe decisivefactors influencing
the management of materials at the Gotthard
BaseTunnel,selectedimportant alterations and how these
were dealt with. In the summary,the most significant insights
are also considered under the aspect of risk management.
2 Use of spoil material for concrete and shotcrete production
In the early phasesof the project for the basetunnel crossing
the Alps at Lötschberg and Gotthard, many technical
aspectshad to be overcomewith little or uncertain experience
to fall back on. For the management of materials
Topics
DOl: 1O.1002/geot.200900032
Oie Bewirtschaftung der rund 25Mio. TonnenAusbruchmaterial
des Gotthard-Basistunnels war und ist eine enorme Herausforderung.
Ein Zulassungssystem für Betonrezepturen sowie laufende
Prüfungen am ausgebrochenen Rohmaterial und den aufbereiteten
Gesteinskörnungen stellen sicher, dass möglichst viel Ausbruchmaterial
wiederverwertet wird und damit hochwertige Betone
und Spritzbetone für den Tunnelbau hergestellt werden.
Obwohl seit Projektbeginn in der Materialbewirtschaftung mit
großzügigen Prognosebandbreiten gearbeitet wurde, waren aufgrund
der tatsächlichen Projektentwicklung umfangreiche Anpassungen
an den Konzepten und Anlagen der Materialbewirtschaftung
erforderlich. Oie Hauptgründe dafür sind zeitliche Verschiebungen
von Materialanfall und -bedarf sowie Veränderungen
der Materialmengen innerhalb und zwischen den einzelnen
Teilabschnitten. Bisher ist es gelungen die Materialbewirtschaftung
nicht zum leistungsbestimmenden Faktor werden zu lassen.
1 Einleitung
Als im Oktober 1994beim EidgenössischenVerkehrs-und
Energiewirtschaftsdepartement,heute UVEK, dasGesuch
um Genehmigung des Auflageprojekts Zwischenangriff
Sedrun des Gotthard-Basistunnels (GBT) eingereicht
wurde, wurde unter Punkt 3 beantragt: "Mit der Plangenehmigungsverfügung
seien die erforderlichen Materialabbau
und Materialablagerungsstandorte sowie die erforderlichen
Deponien zu bewilligen."
EndeApril 2009,rund 15Jahrenachdemdie Konzepte
der Materialbewirtschaftung für den Gotthard-Basistunnel
entstandensind,sind die Vortriebsarbeitenund damit
der Anfall von Ausbruchmaterial zu rund 85 % abgeschlossen.
Die Projektentwicklung in diesem Zeitraum
hatte neben anderen Einflüssen auch enormeAuswirkungen
auf die Materialbewirtschaftung. In diesem Beitrag
werden die maßgebenden Randbedingungen und Einflussfaktoren
für die Materialbewirtschaftung am Gotthard-Basistunnel,
ausgewählte wesentliche Änderungen
sowie der Umgang damit erläutert. Zusammenfassend
werden die wesentlichsten Erkenntnisse auch unter dem
Aspekt desRisikomanagementsdargelegt.
2 Verwendung von Ausbruchmaterial für die Beton- und
Spritzbetonherstellung
In den frühen Projektphasenfür die alpenquerendenBasistunnel
am Lötschberg und Gotthard mussten viele
© 2009 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin . Geomechanics and Tunnelling 2 (2009),No. 5 619

R. lieb Materials management at the Gotthard Base Tunnel- experience lram 15 years 01constructmn
Materialanfall
GBT
total
25 Mio./t
(100%)
Materialklassifizierung
Geeignet für
Gesteinskörnungen
zur Betonherstellung
A-Material
9,0 Mio./t
Ungeeignetes
Material für
Gesteinskörnungen
zur Betonherstellung
15,9 Mio.lt
Schlämme aus den
Vortrieben 0,1 Mio./t ~
handling, this concerned above all the reusability of spoil
materials, the influence of the high rock temperatures on
quality, the required 100-year durability of the concrete
and shotcrete and the subject of alkali-aggregate-reaction.
The recycling of excavated material and thus the most
complete possible self-sufficiency of the construction sites
of the AlpTransit Gotthard AG (ATG) were and are a necessity;
on the one hand to be able to comply with the environmental
requirements, and on the other hand because
the complete extern al supply of more than 7 m tonnes of
aggregate for the production of concrete and shotcrete
and the carting away and alternative use or tipping of unused
spoil material would have been impossible in some
sections purely for logistical reasons (Fig. 1).
Self-sufficiency is restrained by the minimum requirements
for the mechanical and petrographical properties of
the spoil material and by the time dependencies regarding
material production and requirement. When sufficient recycled
material was not available at the correct time, suppli
es had to be organised from outside. This was above all
the case in the early contract sections of the GBT. Technical
innovations were necessary in order to keep the quantity
of recycled material as high as possible. In the Sedrun
section, mica gneiss and slate gneiss were forecast in the
southern Tavetscher Zwischenrnassiv, which could only be
described as capable of recycling to a limited extent on account
of the high mica content in the fines. A technical innovation
was therefore introduced, mica flotation to reduce
the mica content in sand 0-1 mm. This process has
proved successful, and it proved possible to limit the mica
content to less than 20 %, even with only limited flotation.
The basic suitability of the recycled spoil material
(particularly TBM material) for the production of concrete
and particularly shotcrete with stringent requirements
was demonstrated in a dissertation at the ETH
Zürich University [1]. Recycling tests were carried out especially
for the Gotthard Base Tunnel, using Lucomagno
and Leventina gneiss from the Pollmengo investigation
heading and material from the rebuilding of the Amsteg
hydropower station. A testing plan was developed for mineral
aggregates from tunnel spoil material, which includes
tests on the raw material and also tests on the recycled ag-
gregate (Table 1).
620 Geomechanics and Tunnelling 2 (2009). No. 5
Materialverwendung
Gesteinskörnungen
29,0%
zur Betonherstellung /
-- Abgabe an Dritte 2,5%
Aufbereitungsverluste 2,5% --- SChlamme in Inertstoffdepo~ 2,0%
Eigenbedarf für
Dammschüttun~
Ablagerung und
Rekultivierungen /'
Schütt material
für Dritte »:
Reaktordeponie
~
19,6%
30,0%
14,0%
0,9%
Fig. 1. Material balance, Gotthard
Base Tunnel
Bild 1. Materialbilanz Gotthard-
Basistunnel
technische Aspekte geklärt werden, zu denen damals nur
wenige oder keine gesicherten Erkenntnisse vorlagen. Im
Zusammenhang mit der Materialbewirtschaftung waren
dies vor allem die Wiederverwendbarkeit von Ausbruchmaterial,
der Einfluss der hohen Gebirgstemperaturen auf
die Qualität und die gewünschte 100-jährige Dauerhaftigkeit
des Betons und Spritzbetons sowie das Thema der Alkali-Aggregat-Reaktion.
Die Wiederverwertung des Ausbruchmaterials und damit
auch die möglichst vollständige Selbstversorgung der
Baustellen der AlpTransit Gotthard AG (ATG) waren und
sind eine Notwendigkeit. Einerseits um die Umweltanliegen
erfüllen zu können, und andererseits wäre eine durchgehende
Fremdversorgung für mehr als 7 Mio. t Gesteinskornungen
(Bezeichnung nach Norm EN 12620:2002+A1;
früher "Zuschlagstoffe") zur Herstellung von Beton und
Spritzbeton und der Abtransport und die anderweitige Verwendung
bzw. Ablagerung von nicht verwendetem Ausbruchmaterial
nur schon aus logistischen Gründen mindestens
in einzelnen Teilabschnitten unmöglich. (Bild 1)
Beschränkt wird die Selbstversorgung durch die Mindestanforderungen
an die mechanischen und petrographisehen
Eigenschaften des Ausbruchmaterials sowie durch
die zeitlichen Abhängigkeiten bezüglich Materialanfall
und -bedarf. Wo nicht rechtzeitig genügend aufbereitbares
Material zur Verfügung stand, musste auf Fremdversorgung
umgestellt werden. Vor allem bei den frühen Losen
war dies am GBT der Fall. Um die Menge an aufbereitbarem
Material möglichst hoch zu halten, wurde auch technisches
Neuland betreten. Im Teilabschnitt Sedrun wurden
im Tavetscher Zwischenmassiv Süd Glimmergneise
und Schiefergneise prognostiziert, die aufgrund des hohen
Glimmeranteils in den Feinanteilen nur bedingt als aufbereitbar
bezeichnet werden können. Als technische Neuheit
wurde daher eine Glimmerflotation zur Reduktion des
Glimmergehalts im Sand 0-1 mm eingesetzt. Das Verfahren
hat sich bewährt, und der Glimmeranteil konnte auch
mit minimalem Flotationseinsatz auf unter 20 % be-
schränkt werden.
Die grundsätzliche Eignung von aufbereitetem Ausbruchmaterial
(insbesondere TBM-Material) zur Herstellung
von Beton und vor allem Spritzbeton mit hohen Anforderungen
wurde mit einer Dissertation an der ETH

Table 1. Testing plan [or aggregates [rom tunnel spoil material
Tabelle 1. Priiiplan [iir Gesteinskörnungen aus Tunnelausbruchmaterial
R. Lieb Materials management at the Gotthard Base Tunnel- experience lram 15 years 01 construction
No. Test Teststandard Rawmaterial Aggregates
Nr. Prüfung Prüfnorm Rohmaterial Gesteinskörnungen
1 Visual assessment:Petrographyat the tunnel face
Visuelle Begutachtung: Petrographie an der X
Tunnelbrust
2 Breakability index AFNOR P 18-579
Brechbarkeits-Index modified for TBM raw material X
Modifiziert für TBM-Rohmaterial
3 Point load index ISRM
Punktlast-Index
4 LosAngelesindex prEN 1097-2
Los Angeles-Index
5 Determination of petrography
Petrographie- Bestimmung
a) Microscopic petrography (thin section)
a) Mikroskopische Petrographie (Dünnschliff)
As defined by AlpTransit
nach Definition AlpTransit
X X
b) Petrographicallyunsuitable components SIA 162/1 X X
b) Petrographisch ungeeignete Komponenten
c) Freebed silicatesin sand
c) Freie Schichtsilikate im Sand
As defined by AlpTransit
nach Definition AlpTransit
X X
6 Sieveanalysissand 0/1 and 1/4 SIA 162.311
Siebanalysen Sand Oll und 1/4
7 Sieveanalysisgravelfractions 4/8 8/16 16/22 SIA 162.311
Siebanalyse Splittfraktionen 4188116 16122
8 Grain shapegravelfractions 4/8 8/16 16/22 prEN 933-3
Kornform Splitttraktionen 418 8116 16122
9 Potential alkali reactivity AFNOR P18-588
Potenzielle Alkali-Reaktivität
10 Bulk density andvoids content prEN 1097-3
Schüttdichte und Hohlraumgehalt
11 Water content sand/gravelfractions prEN 1097-5
Wassergehalt SandlSplittfraktionen
In order to cope with the unusual requirements for
concrete and shotcrete, an approval system was developed
for concrete mixes and publicly tendered. The testing system
includes the three stages suitability testing, preliminary
tests under laboratory conditions and main test under
construction site conditions, and was also divided into
the three testing sections Erstfeldl Amsteg, Sedrun and
Faido/Bodio on account of the different petrographical
conditions along the GBT. The aim of this testing system
was to reduce the risks for the client side with respect to
the durability of the structure and the share of responsibility
as the supplier of the aggregates. The approval system
was organised so that shotcretes and concretes could be
produced with the aggregate typical for the relevant section
using various concrete mixes developed by the interested
bidders, and these mixes could be tested for workability
as well as quality and durability. The mixes tested in
this way, which were then approved with publication in
the Swiss newspaper Handelsblatt, include the content of
cement, additives and admixtures and are still in use today
in the Gotthard Base Tunnel in an adapted form.
X
X
X
X
X
X X
Zürich nachgewiesen [1]. Speziell für den Gotthard-Basistunnel
wurden Aufbereitungsversuche u. a. mit Lucomagno-
und Leventinagneisen des Sondierstollens Pollmengo
und Material aus dem Umbau des Kraftwerks Amsteg
durchgeführt. Es wurde ein Prüfplan für die Gesteinskörnungen
aus Tunnelausbruchmaterial entwickelt, der sowohl
Prüfungen am Rohmaterial als auch Prüfungen an
den aufbereiteten Gesteinskörnungen enthält (Tabelle 1).
Um den außergewöhnlichen Anforderungen an Beton
und Spritzbeton gerecht zu werden, wurde ein Zulassungssystem
für Betonrezepturen entwickelt und öffentlich
ausgeschrieben. Das Prüfsystem umfasste die drei
Stufen Eignungsprüfung, Vorversuche unter Laborbedingungen
sowie Hauptprüfung unter Baustellenbedingungen
und wurde aufgrund der unterschiedlichen petrographisehen
Verhältnisse am GBT in die drei Prüfabschnitte
Erstfeldl Amsteg, Sedrun und Faido/Bodio unterteilt. Das
Ziel des Prüfsystems war es, die Risiken für die Bauherrschaft
betreffend Dauerhaftigkeit des Bauwerks und Mitverantwortung
als Lieferant von Gesteinskörnungen zu
vermindern. Das Zulassungssystem wurde so ausgelegt,
Geomechanics and Tunnelling 2 (2009). No. 5 621
X
X

R.lieb Materials management at the Gotthard Base Tunnel- experience Irom 15years 01construction
The following tests were formulated for approval and
carried out:
_ Workability time: important in the damp warm climate
with underground transport distances of up to alm ost
30 km (more than 3 hours between mixing and concret-
ing),
- Technical requirements: compression strength, early
strength, water proof quality, resistance to chemical at-
tack,
_ Consideration of durability: limitation of the water/
cement ratio, limit value for change of length in sulphate
tests, minimum cement content.
Continuous testing during construction is laid down in
control plans for each contract.
The subject of alkali-aggregate-reaction (AAR) has
been much discussed in Switzerland since about 1996.
The alkali-aggregate-reaction is primarily a chemical reaction
between reactive rock particles and free alkalis in the
pore water in mortar or concrete. The new product of this
reaction is an expansive gel, which leads to cracks and in
the worst case to the destruction of the concrete. Supported
by many testing campaigns on rock material from the
area of the Gotthard Base Tunnel and inspections in various
underground structures, an AAR measures concept
for the GBT was developed under the leadership of the
ATG. This AAR concept had to build on the existing materials
management plan and the already existing concrete
testing system and has the following provisions:
- Regular monitoring of the potential reactivity of the raw
material and the recycling aggregate produced from it by
means of microbar testing (test No. 9 in the testing
plan). Rejection of strongly reactive raw material before
recycling,
- Testing of the AAR resistance of concrete mixes, primarily
through material checks and secondarily through
performance tests,
- Constructive measures to protect the concrete from water
contact.
3 Material production versus material requirement
One of the most considerable challenges in materials
management lies in ensuring the control of the spoil material
produced and the required aggregates, even when alterations
of schedule or quantity occur because of the current
development of the project in contrast to the original
planning. The essential factors influencing this are the
suitability of the spoil for recycling and the tunnel advance
rate, and also the time gap between material production
and material requirement. The suitability of the spoil for
recycling and also the spoil quantity produced per unit of
time, e.g. month, depend on the geological conditions encountered
and can be subject to considerable variations in
a very short time, as when an extensive fault zone is tunnelled
through. For the material requirement, the planned
construction schedule is decisive, whether the concreting
schedule of filling embankments in the open stretches at
the north and south ends. If the main concreting works
for the internal structure (invert and vault) are carried out
parallel to the tunnelling work, then the daily concrete
quantity and thus the requirement for aggregates are clear-
622 Geomechanics and Tunnelling 2 (2009), No. 5
dass mit für den jeweiligen Prüfabschnitt typischen Gesteinskörnungen
und verschiedenen von den interessierten
Anbietern entwickelten Betonrezepturen Spritzbetone
und Betone erzeugt wurden und diese sowohl hinsichtlich
Verarbeitbarkeit als auch bezüglich Qualität und Dauerhaftigkeit
geprüft wurden. Die so geprüften und mit Publikation
im Schweizerischen Handelsblatt zugelassenen Betonrezepturen
umfassen die Dossierung von Zement, Zusatzstoffen
und Zusatzmitteln und werden am Gotthard-
Basistunnel heute noch in angepasster Form verwendet.
Folgende Prüfungen wurden für die Zulassung formuliert
und durchgeführt:
- Offenzeit (Verarbeitungszeit): Wichtig in feucht
warmem Klima bei untertägigen Transportdistanzen bis
zu fast 30 km (mehr als 3 Stunden zwischen Mischvorgang
und Verarbeitung),
- Technische Anforderungen: Druckfestigkeit, Frühfestigkeit,
Wasserdichtigkeit, Widerstand gegen chemischen
Angriff,
- Berücksichtigung der Dauerhaftigkeit: Begrenzung des
Wasserzementwerts; Grenzwert für die Längenänderung
bei Sulfatprüfungen ; Minimaler Zementgehalt.
Die laufenden Prüfungen während der Bauausführung
sind losbezogen in Kontrollplänen festgelegt.
Die Thematik der Alkali-Aggregat-Reaktion (AAR)
wurde in der Schweiz ab ca. 1996 breiter diskutiert. Die
Alkali-Aggregat-Reaktion ist primär eine chemische Reaktion
zwischen reaktiven Gesteinskörnungen und freien
Alkalien des Porenwassers im Mörtel oder Beton. Das
neue Produkt dieser Reaktion ist ein expansives Gel, welches
zu Rissen und im schlimmsten Fall zur Zerstörung
des Betons führt. Gestützt auf mehrere Prüfkampagnen
an Gesteinsmaterialien aus dem Bereich des Gotthard-
Basistunnels und Inspektionen in diversen Untertagbauwerken
wurde unter Führung der ATG eine AAR-Maßnahmenplanung
für den GBT entwickelt. Dieses AAR-
Konzept musste auf die bestehenden Materialbewirtschaftungskonzepte
sowie das bereits bestehende Beton-Prüfsystem
aufbauen und sieht folgende Punkte vor:
- Regelmäßige Überprüfung der potenziellen Reaktivität
des Rohmaterials und der daraus aufbereiteten Gesteinskörnungen
mittels Mikrobar-Prüfung (Prüfung Nr. 9 im
Prüfplan). Ausschluss des stark reaktiven Rohmaterials
von der Aufbereitung,
- Überprüfung des AAR-Widerstands der Betonrezepturen
primär durch stoffliche Nachweise und sekundär
durch Performanceprüfungen,
- Konstruktive Maßnahmen zum Schutz des Betons
gegen Wasserkontakt.
3 Materialanfall vs. Materialbedarf
Eine der größten Herausforderungen der Materialbewirtschaftung
besteht darin, die Bewirtschaftung der anfallenden
Ausbruchmaterialien und der benötigten Gesteinskornun
gen sicherzustellen, auch wenn durch die Projektentwicklung
gegenüber der ursprünglichen Prognose zeitlich
oder mengenmäßige Veränderungen eintreten. Die wesentlichsten
Einflussfaktoren sind dabei die Verwertbarkeit
desAusbruchmaterials und die Vortriebsgeschwindigkeit
sowie der zeitliche Abstand zwischen Materialanfall
--......r

Fig. 2. Materials handling site, Erstfeld
Bild 2. Materialbewirtschaftung Erstfeld
Iy lower than when the vault is constructed after the end of
tunnelling work. Because shotcrete and poured concrete
are mixed with different grading curves, the construction
of the tunnel support in parallel with the construction of
the internal vault is favourable for the production of the
ingredients. The material management should not be allowed
to become a factor determining the performance of
tunnelling work, construction of the internal structure or
filling. To achieve this is extremely difficult because of the
limited space available for storing the raw material and also
the aggregates to buffer the individual activities. (Fig. 2)
4 Material management in the heart of the Alps
The location of the intermediate starting point in Sedrun
near the source of the Rhine has an effect on the concept
for materials management. Not only because the excavated
spoil and the aggregates, like all other persons, equipment
and other materials, have to be transported up or
down the two shafts about 800 m deep, but also because
the overground route to the construction site situated
about 1400 m above sea level has very limited capacities.
The main road running east of Sedrun village has many
curves and is so narrow in places that not even cars can
always pass without problems, not to mention trucks. The
railway connection on the Rhaetian railway (to Disentis),
Matterhorn Gotthard railway (Disentis to the service station
at Tscheppa) and the works track to the construction
site is a single-track narrow gauge line, and between Disentis
and the construction site is partially rack and pinion.
The non-recyclable materials therefore have to be stored
R.lieb Materials management at the Gotthard Base Tunnel- experience Irom 15years 01construction
und Materialbedarf. Sowohl die Verwertbarkeit als auch
der Materialanfall pro Zeiteinheit, z.B. Monat, sind von
den angetroffenen Baugrundverhältnissen abhängig und
können in kürzester Zeit erhebliche Schwankungen erfahren,
z. B. Anfahren einer ausgedehnten Störzone. Für den
Materialbedarf sind die geplanten Bauprogramme maßgebend,
sei es bei den Betonierprogrammen oder aber bei
Dammschüttungen im Bereich der offenen Strecken im
Norden und Süden. Werden die Hauptbetonarbeiten des
Innenausbaus (Sohle und Gewölbe) parallel zu den Vortriebsarbeiten
ausgeführt, so sind die täglichen Betonierleistungen
und damit der Bedarf an Gesteinskörnungen,
deutlich geringer im Vergleich zur Gewölbeherstellung
nach Vortriebsende. Da Spritzbeton und Ortbeton mit unterschiedlichen
Sieblinien hergestellt werden wirkt sich eine
Parallelität von Ausbruchsicherung und Erstellung des
Innengewölbes günstig auf die Produktion der Komponenten
aus. Die Materialbewirtschaftung darf nicht zum
leistungsbestimmenden Faktor für Vortrieb, Innenausbau
oder Schüttungen werden. Dies zu gewährleisten ist aufgrund
der sowohl für Rohmaterial als auch für Gesteinskörnungen
zur Pufferung der einzelnen Abläufe nur beschränkt
zur Verfügung stehenden Zwischenlagerungsmöglichkeiten
äußerst schwierig. (Bild 2)
4 Materialbewirtschaftung im Herzen der Alpen
Die Lage des Zwischenangriffs Sedrun in der Nähe der
Rheinquelle wirkt sich auf die Konzepte der Materialbewirtschaftung
aus. Nicht nur, dass das Ausbruchmaterial
und die Gesteinskörnungen ebenso wie alle Personen, Geräte
und anderen Materialien über die zwei rund 800 m
tiefen Schächte transportiert werden müssen, auch die
übertägige Erschließung der auf rund 1.400 m über Meer
liegenden Baustelle weist äußerst beschränkte Kapazitäten
auf. Die Hauptstraße östlich des Dorfs Sedrun ist kurvig
und stellenweise so schmal, dass ein Kreuzen selbst für
Autos nicht überall problemlos möglich ist, geschweige
denn für Lastwagen. Der Bahnanschluss über Rhätische
Bahn (bis Disentis), Matterhorn Gotthard Bahn (Disentis
bis Dienststation Tscheppa) und das Werkgleis zur Baustelle
ist eine eingleisige Schmalspurbahn und zwischen
Disentis und der Baustelle teilweise als Zahnradstrecke
geführt. Die Ablagerung des nicht verwertbaren Materials
muss daher in Baustellennähe erfolgen. Da gemäß Prognose
des Auflageprojekts nicht genügend verwertbares,
aufbereitbares Ausbruchmaterial zur Deckung des Bedarfs
zur Verfügung stehen würde, wurde mit der Plangenehmigungsverfügung
vom Oktober 1995 auch der Abbau von
Alluvialmaterial zur Gewinnung von Gesteinskörnungen
unmittelbar in Dorfnähe wenige hundert Meter vom Portal
des Zugangstollen entfernt geregelt. Für die Tunnelbauarbeiten
am Basistunnel lag zu diesem Zeitpunkt erst das
Vorprojekt vor. (Bild 3)
Seither haben sich wesentliche Projektparameter geändert
mit entsprechenden Auswirkungen auf die Materialbewirtschaftung.
Der Querschlagabstand wurde von 650
m auf 325 m halbiert. Die Losgrenzen zu den Nachbarabschnitten
Amsteg und Faido wurden mit dem Bauprojekt
1999 verändert. Zum ursprünglich vorgesehenen Schacht
mit fast 9 mAusbruchdurchmesser kam ein zweiter
Schacht mit einem Ausbruchdurchmesser von 7 m. Das
Geomechanics and Tunnelling 2 (2009), No. 5 623

R. Lieb Materials management at the Gotthard Base Tunnel- experience lram 15 years 01 construction
Fig. 3. Oueroiezo of the elements at the materials handling site in Sedrun
Bild 3. Übersicht der Elemente Materialbewirtschaftung in Sedrun
near the construction site. Because,according to the forecastin
the approvedproject, not enoughspoil material capable
of being recycled and reusedwould be available to
coverneeds,the construction approval from October 1995
also included the quarrying of alluvium for the production
of aggregatesjust by the village and only a few hundred
metres from the portal of the accessheading. The actual
tunnel construction works for the BaseTunnelwere in the
preliminary designphaseat that time. (Fig. 3)
Sincethen, essentialproject particulars havechanged
with a corresponding effect on materials management.
The crosscut spacingwas halved from 650 m to 325 m.
The construction contract boundaries with the adjacent
sections in Amsteg und Faido were altered for the construction
project in 1999.A secondshaft of 7 m diameter
was added to the originally intended shaft of almost 9 m
bored diameter. The ventilation systemin the multifunction
centre was considerably extended. Because of the
good progressof construction in Sedrunand the problems
constructing the multifunction centre at Faido,the option
provided in the construction contracts to displacethe section
boundary Sedrun-Faidoby 1km southwards (Faido)
was activated in December2005. These major variations
asweIl as diversesmallerexcavationsresulted in about an
additional 900,000t of spoil,which is an increaseof about
23 % above the originally estimated quantity of 4 m
tonnes. This results no only in more material, which
would definitely haveto be tipped, but also a large quantity
of spoil to be stored temporarily. The problem of temporary
storagewas madeworse by the fact that the original
project assumedthe tunnel drive and the internal construction
running in parallel, whereas the construction
scheduleaccording to the winning tenderintended to construct
the internal lining after completion of tunnelling.
Measuresnecessaryto relieve this situation included the
intensive operation of the approved landfill and tempo-
624 Geomechanics and Tunnelling 2 (2009), No. 5
Abluftsystem in der Multifunktionsstelle wurde erheblich
erweitert. Aufgrund des guten Baufortschritts in Sedrun
und den baugrundbedingten Problemen beim Erstellen
der Multifunktionsstelle Faidowurden im Dezember2005
die in denWerkverträgenvorgesehenenOptionen zur Verschiebungder
LosgrenzeSedrun-Faidoum 1km Richtung
Süden (Faido) ausgelöst.Die hier angeführten großenÄnderungen
sowie diverse kleinere zusätzliche Ausbrüche
ergebeneinen Mehranfall von rund 900.000 t Ausbruchmaterial,
diesist eineZunahme um rund 23 % bezogenauf
die ursprünglich prognostizierte Mengevon 4 Mio. t. Dies
bedeutet nicht nur mehr definitiv abzulagerndesMaterial
sondern auch größere Mengen an zwischenzulagerndem
Ausbruchmaterial. Verschärft wurde die Zwischenlagerproblematik
durch den Umstand, dassim Auflageprojekt
von einer Parallelität von Vortrieb und Innenausbauausgegangenwurde,
während gemäß Bauprogramm desAngebots,
das den Zuschlag erhielt, das Innengewölbe erst
nach Abschlussder Vortriebe erstellt wird. Eine intensive
Bewirtschaftung der bewilligten Deponien und Zwischenlager
mit teilweiser Bewilligungserweiterung,mehrfachen
Materialumlagerungen, zusätzlichen Installationen und
erhöhtem Einbauaufwand waren als Maßnahmen zu Beherrschung
der Situation erforderlich. Dies alles in einem
Gebiet, wo üblicherweise Tiefbauarbeiten nur während
weniger Monate im Jahr wirtschaftlich möglich sind. In
der Kiesaufbereitung musstezeitweiseein Dreischichtbetrieb
eingeführt werden,um genügendGesteinskörnungen
für die untertägigenArbeiten zur Verfügungzu stellen.
Um das Bauprogramm des Gotthard-Basistunnels
weiter zu optimieren,wurden im Führjahr 2005Abklärungen
zu einer weiteren Losgrenzenverschiebungvon Sedrun
Richtung Faido eingeleitet.Zur Bewirtschaftung des
dann zusätzlich in Sedrun anfallenden Materials musste
eine Lösung gefundenwerden. Durch Einbezug aller betroffenen
Interessenspartner - Gemeinde, Region und

Vortriebe Sedrun
[27oiTlOtl
---... Gesteinskörnungen
___ Rohmaterial
, •••• , '13W' 409' ;j"", ..,
R. lieh Materials management at the Gotthard Base Tunnel- experience Irom 15 years 01 construction
[4'084'362,1
rary storagesites,multiple retransporting of material, additional
installations and increased expense of installation,
and this all in an areawhere civil engineeringwork is
normally only economic during a few months of the year.
In the gravel processing,three-shift operation had to be
introduced for a while in order to be able to make sufficient
aggregateavailablefor the underground works.
In order to further optimise the construction programme
for the Gotthard BaseTunnel, negotiations were
started in early 2005 for a further displacementof the section
boundary from Sedrun towards Faido. A solution
then had to be found for the managementof the additional
material produced in Sedrun. Through collaboration
with all affected interested parties, councils, region and
canton, local residents,environmental protection organisations
and planning authorities, additional landfill sites
were found, which were capableof gaining approval. This
meant that the materials managementpreconditions had
been createdfor the decision in early 2008 to displacethe
section boundary Sedrun/Faido a further 1.5 km southwards.
This alteration produced about 750,000t of additional
spoil material (Fig.4).
There were similar challengesto be overcomein the
other sections of the Gotthard BaseTunnel. At the open
stretch Gotthard North and the tunnel construction contracts
in Erstfeld and Amsteg, the originally intended simultaneousconstruction
of the works provedto be impossible
for political reasonsand due to the legal action in the
award process for the Erstfeld tunnel construction contract.
Similarly to the situation in Sedrun,the contractor's
construction schedulevaried from the designproject.Also
worth noting is the tunnel advancein Erstfeld being considerably
fasterthan assumed.The increaseof temporary
storage capacity, better installations, transport away of
material and shift operation in the gravelworks were also
necessaryhere.
There were also drastic alterations in the southern
part of the Gotthard BaseTunnel. In Faido,the relocation
of the multifunction centre and the ventilation system,
Nicht dargestellt: t- 4% Verluste
EUb, Materia!umschla~~nd Wassergehalte)
Fig. 4. Planned material
flows, Sedrun
Bild 4. Prognostizierte
Materialflüsse Sedrun
Kanton, Anwohner, Umweltschutzorganisationenund Genehmigungsbehörden
- konnten bewilligungsfähige zusätzliche
Ablagerungsmöglichkeiten gefunden werden.
Damit wurden seitens der Materialbewirtschaftung die
Voraussetzungengeschaffenum im Frühjahr 2008 den
Beschlusszu fassendie LosgrenzeSedrun/Faido um weitere
rund 1.5km Richtung Südenzu verschieben.Der da-
SCHALUNGSSYSTEME II
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VERBAUSYSTEME 1>13;I~'I:(:j ;
GEOTECHNIK TITAN
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Verpresspfähle TITAN 103na
für die Tiefgründung von Brücken
• wenn die Gründung im Hangeinschnitt erfolgt
• wenn die Setzungsunterschiede einer
Flachgründung zu groß sind ZuL-NrZ-34,14-209
FRIEDR. ISCHEBECK GMBH
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POSTFACH 1341 . D-58242 ENNEPETAL . TEL. (02333) 8305-0 . FAX (02333) 8305-55
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Geomechanics and Tunnelling 2 (20091. No. 5 625

R.lieb Materials management at the Gotthard Base Tunnel- experience lrom 15years 01construction
which also had to be altered, produced more material in
the first years, and the aggregaterequirement was also
greaterthan planed. Towardsthe end of the tunnel drive,
the material balancewill alter on account of the displacement
of the contract boundaries mentioned above.In the
Bodio section, the suitability of the material for recycling
certainly correspondedto the forecasts,but not however
in terms of the timeswhen spoil capableof being recycled
and fill material were being produced. In addition, the
yield of material suitable for recycling turned out to be
considerable lower than anticipated due to the smaller
broken sizeof the spoil. Both factors led to bottlenecks in
the production of aggregates,which had to be remedied
through additional repeat sieving,supply from the Amsteg
und Erstfeld sectionsand the purchaseof aggregatesfrom
regional quarries.
5 Conclusions
It hasbeen necessaryto work with generousmarginsin all
areasof materials managementsince the start of the project.
Nonetheless,it proved necessaryto undertake extensive
and expensiveadaptationsto the conceptsand facilities
for the managementof the spoil produced in all sections
on account of the actual developmentof the project.
Sofar, it hasbeenpossibleto avoid the managementof the
materialshandling becominga factor determining the performance.
This has been possible becausethe need for
alterations was noticed at n early stage and becauseall
parties showedvery high motivation and readinessto seek
solutions.
From the experiencegained on this project, we can
recommend the periodic reporting of performance comparisons
against schedule and keeping an eye on all important
assumptionsin order that deviations are spotted
early. Considerations of the range of seenariosand fallback
policies, alternative possibilities and reserved decisions
should all be included in the scopeof risk management
and periodically investigated.Only so can it be ensuredthat
additional storageor transport capacity is available
in good time despite long lead times for planning
approval proceduresand preparatory works.
References
[1] Thalmann,c.: Beurteilungund MöglichkeitenderWiederverwendungvon
Ausbruchmaterialaus dem maschinellen
Tunnelvortriebzu Betonzuschlagstoffen(Assessment and
possibilities [or recycling spoil material [rom mechanised
tunnelling ior concreteaggregates).Dissertation,ETHZürich,
1996.
Dipl. Ing. Dr. sc. techn. Rupert H. Lieb
AlpTransit Gotthard AG
Zentralstraße 5
CH 6003 Luzern
Switzerland
rupert.lieb@alptransit.ch
626 Geomechanics and Tunnelling 2 (2009), No. 5
durch entstehendeMehranfall anAusbruchmaterial in Sedrun
beträgt rund 750.000t (Bild 4).
Auch in den anderen Teilabschnitten des Gotthard-
Basistunnels hatte man ähnliche Herausforderungen zu
bewältigen. Im Bereich der offenen Strecke Gotthard
Nord und der TunnelbauloseErstfeld und Amstegwar aus
politischen Gründen und wegen des Rekursesim Vergabeverfahrenfür
die Tunnelbauarbeitenim Los Erstfeld die
ursprünglich vorgesehenezeitgleicheAusführung der Arbeiten
unmöglich. Ähnlich wie in Sedrunwichen die Bauprogramme
der Unternehmervom Bauprojekt ab. Bemerkenswert
ist auch der erheblich schnelleralsangenommen
erfolgendeVortrieb in Erstfeld.Erhöhung derZwischenla
gerkapazitäten,leistungsfähigereInstallationen, Materialabtransport
und Schichtbetrieb im Kieswerk waren auch
hier erforderlich.
Im südlichen Bereich des Gotthard-Basistunnelsgab
es auch einschneidende Veränderungen. In Faido fiel
durch die Neudisposition der Multifunktionsstelle und
dem auch hier geändertenAbluftsystem in den erstenJahren
mehr Material an, und auch der Bedarf war größer als
geplant. GegenEnde desVortriebs wird sich die Materialbilanz
aufgrund der oben beschriebenenLosgrenzenverschiebungenverändern.
Im Teilabschnitt Bodio entsprach
die Verwertbarkeit desAusbruchmaterialszwar insgesamt
der Prognose,nicht jedoch in Bezug auf den zeitlichen
Anfall von aufbereitbarem Material und Schüttmaterial.
Zudem erwies sich aufgrund derkleineren Stückigkeit des
Ausbruchmaterials dieAusbeutean aufbereitbaremMate
rial alswesentlichgeringeralsprognostiziert. Beide Faktoren
führten zu Engpässenbei der Gewinnung von Gesteinskörnungen,
die durch zusätzliche Nachsiebungen,
Versorgungaus den TeilabschnittenAmsteg und Erstfeld
sowie den Zukauf von Zuschlagstoffen aus regionalen
Steinbrüchenbehobenwerden mussten.
5 Schlussfolgerungen
In allen Bereichender Materialbewirtschaftung hatte man
seit Projektbeginn mit großzügigen Bandbreiten gearbeitet.
Dennoch musstenaufgrund der tatsächlichen Projektentwicklung
in allen Teilabschnitten umfangreiche und
kostensintensiveAnpassungenan den Konzepten und Anlagen
für die Bewirtschaftung des anfallenden Ausbruchmaterials
vorgenommen werden. Bisher ist es gelungen,
die Materialbewirtschaftung nicht zum leistungsbestimmenden
Faktor werden zu lassen.Möglich war dies,weil
die Notwendigkeit von Anpassungenrechtzeitig erkannt
wurde und das Engagementund die Bereitschaft zur Lösungssuchebei
allen Beteiligten sehrhoch war.
Aufgrund der gemachten Erfahrungen empfiehlt es
sich der periodischen Berichterstattung mit Soll-Ist-Vergleichen
und Überprüfungen aller maßgebendenAnnahmen
das nötige Augenmerk zu schenken damit Abweichungen
frühzeitig erkannt werden. Im Risikomanagement
müssen Überlegungen zu den Bandbreiten der
Szenariensowiezu Rückfallebenen,alternativen Möglichkeiten
und vorbehaltenenEntschlüssengemachtund periodisch
überprüft werden. Nur so kann gewährleistetwerde,dasstrotz
langenVorlaufzeiten für Plangenehmigungsverfahren
und Vorarbeiten ergänzendeLager oder Transportmöglichkeiten
rechtzeitig zur Verfügung stehen.
......,