Tunnelling in swelling rock - a solved problem?

• Published in: Geomechanik und Tunnelbau Vol. 3; no. 5; pp. 557 - 566
• Main Authors: Zettler, Alfred, Poisel, Rainer, Preh, Alexander, Konietzky, Heinz
• Format: Journal Article
• Language: English
• Published: Berlin WILEY-VCH Verlag 01.10.2010; WILEY‐VCH Verlag
• Subjects: anhydrite swelling; Anhydritschwellen; clay swelling; Nachgiebigkeitsprinzip; Quellgesetz; resistance principle; Rock mechanics - Felsmechanik; swelling law; Tonquellen; tunnel damage; Tunnelschäden; Widerstandsprinzip; yielding principle
• ISSN: 1865-7362; 1865-7389
• DOI: 10.1002/geot.201000051

In some sedimentary rocks, the admission of water results in an expansion of volume, which results from the chemical conversion of anhydrite into gypsum (anhydrite swelling) or the physical adsorption of water in certain clay minerals (clay swelling). This expansion leads to heavy loading of the tunnel lining and has already caused significant damage to some structures. In addition, sulphate attack on the lining concrete can lead to softening due to the formation of ettringite. Damage can be in the form of shear failure, spalling or bending tension cracks. The location and nature of the damage, which depends on the location of the ground containing clay or anhydrite and susceptible to swelling, is illustrated with some examples. Numerical modelling is applied to demonstrate the load transfers, which lead to these phenomena. Recent attempts to counter the problem have been based on the strengthening of the lining (resistance principle) or by installing compressible zones between rock mass and lining (yielding principle). The design rules for each principle are explained. Bei einigen Sedimentgesteinen ereignet sich bei Wasserzutritt eine Volumenzunahme, die eine Folge der chemischen Umwandlung von Anhydrit in Gips (Schwellen) oder der physikalischen Anlagerung von Wasser an bestimmte Tonminerale (Quellen) ist. Diese Volumenzunahme führt zu starken Beanspruchungen der Tunnelauskleidung und hatte bei einigen Bauwerken bedeutende Schäden zur Folge. Darüber hinaus führt ein möglicher Sulfatangriff auf den Auskleidungsbeton zur Entfestigung durch Ettringitbildung. Diese Schäden können Scherbrüche, Abplatzungen und Biegezugrisse sein. Ort und Art der Schäden in Abhängigkeit vom Ort der quellenden bzw. schwellenden Gebirgsbereiche werden anhand einiger Beispiele aufgezeigt. Mittels numerischer Untersuchungen wird ein Einblick in die Lastumlagerungen gegeben, die zu den genannten Phänomenen führen. In neuerer Zeit wurde versucht, den Schäden einerseits durch eine Verstärkung der Auskleidung (Widerstandsprinzip) und andererseits durch nachgiebige Zonen zwischen Gebirge und Ausbau (Nachgiebigkeitsprinzip) zu begegnen. Die Entwurfsgrundsätze für diese Prinzipien werden dargelegt.