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Slurry Shield Tunneling in Highly Permeable Ground

Abstract:

For tunneling projects in saturated soils tunnel boring machines (TBMs) with slurry shields are widely used. However, in coarse, highly permeable soils the suspension penetrates the ground and the required support pressure cannot be built up.
For the Zimmerberg Base Tunnel near Zurich permeabilities much greater than 10-3 m/s were expected. This value is usually considered as the critical limit for the applicability of slurry shields. Therefore it was aimed to find additives for the bentonite suspension which would allow it to attaina higher suspension pressure.
For these investigations an apparatus has been developed. It allows the maximum attainable support pressure for a given suspension and a ground to be determined. It reflects the real situation, produces reproducible results and is insensitive to the inevitable variation of individual parameters.
In the tests the additives polymer, sand and vermiculite were studied and their effects on the attainable maximum suspension pressure investigated. For the best combination, i.e. with a well defined proportion of the individual components, suspension pressures could be attained which were about 10 to 20 times higher than those with an ordinary bentonite suspension.
Successful excavation of the Zimmerberg Base Tunnel proved the validity of the laboratory tests.

Resumen:

Son populares para proyectos de túneles en suelos saturados los escudos de frente presurizado con lodo bentónitico. Sin embargo en suelos de gravilla gruesa con alta permeabilidad el lodo penetra en el suelo y la presión requerida para el frente no puede ser establecida.
Para el túnel de base de Zimmerberg cerca de Zurich se esperaba permeabilidades por arriba de 10-3 m/s. Normalmente este valor se considera como límite para la aplicación de escudos con lodo. Por esto se requirió investigar aditivos para que la bentonita soportara presiones mayores.
Para estas investigaciones se desarolló un aparato que permite determinar la presión máxima alcanzable para una suspensión especifica y un suelo. El aparato simula la situación real, produce resultados reproducibles y es insensible a las variaciones inevitables de parametros individuales.
Durante los ensayos se estudiaron los aditivos polímero, arena y vermiculite, y sus efectos a la presión alcanzable. Para la mejor proporción de los componentes individuales, se alcanzó una presión entre diez y veinte veces más alto que solo con bentonita.
Los resultados de los ensayos en el laboratorio se comprobaron durante la excavación eficaz del túnel Zimmerberg.

Authors:

Fritz, Pit

Index Terms:

Hydroshield; Suspension; rock; TunnelingGroup; Fritz, Pit

Further Information:

Date published: 2003