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Design and construction of the tunnel geothermal system in Jenbach

ZENTRALE TECHNIK . TUNNEL ENGINEERING

®

2 © 2010 Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin · Geomechanics and Tunnelling 3 (2010), No. 5

Topics

DOI: 10.1002/geot.201000037

On contract H8 – Tunnel Jenbach on the northern approach routeto the Brenner Base Tunnel, a 54 km section of tunnel is currentlybeing equipped with a geothermal system making use of energylining segments, which enable the laying of absorber pipework inthe TBM-driven tunnel. The system will be able to supply energyto the building yard in Jenbach though a connection in the emer-gency exit shaft. The design of the geothermal energy systemcovers the design of the energy segments, the sizing of the geot-hermal system, the installation of the segments in the tunnel andconnecting them together in the tunnel and the laying of the con-nection pipework. Various restrictions resulting from the practi-calities of tunnel construction had to be taken into account in thegeothermal system. This article describes the experience gainedduring the design phase and the current state of the works. Thenfollows a discussion of the conditions for the future application ofgeothermal systems in tunnels.

1 Introduction

Tunnels today are often driven by tunnel boring machines,because this method of tunnelling offers often more safetythan sequential tunnelling, particularly in groundwater orshallow soft ground. Such situations also represent idealconditions for geothermal exploitation. In order to exploitthe segmental tunnel lining for geothermal energy, an ab-sorber system has to be integrated, which permits the cou-pling of the individual precast elements to each other andalso complies with the tight geometric installation toler-ances.

Such a system – the energy lining segment – has beendeveloped by the companies Rehau AG + Co and Ed.Züblin AG (Technical Head Office). A 54 km long sectionof contract H8 – Tunnel Jenbach, part of the northern ap-proach route for the Brenner Base Tunnel, is currently be-ing equipped with this geothermal system, which shouldsupply a municipal operations building in Jenbach withheating. This will be the first ever energy segment thermalpower station [2].

2 Description of the H8 Tunnel Jenbach contract

The Lower Inn Valley line with a length of about 40 km iscurrently under construction and lies on the northern ap-proach route for the Brenner Base Tunnel, which is a sec-

Im Baulos H8 – Tunnel Jenbach, als Teil der Zulaufstrecke Nordzum Brenner Basistunnel, wird derzeit ein 54 m langer Tunnelab-schnitt mit einer geothermischen Anlage ausgerüstet. Dabei kom-men so genannte Energietübbinge® zum Einsatz, welche die Verle-gung von Absorberleitungen in TBM-vorgetriebenen Tunneln er-möglichen. Die Anlage wird über einen Notaustiegsschacht mitdem Bauhof der Gemeinde Jenbach verbunden, um diesen in Zu-kunft mit Wärmeenergie zu versorgen. Die Planung der Geother-mieanlage erstreckte sich von der Bemessung der Energietübbin-ge, der Dimensionierung der Geothermieanlage, dem Einbau derEnergietübbinge in den Tunnel, die Verbindung der Energietübbin-ge untereinander im Tunnel bis zur Verlegung der Anschlusslei-tungen. Dabei mussten zahlreiche tunnelbauspezifische Randbe-dingungen beachtet und mit den Erfordernissen der technischenGebäudeplanungen abgestimmt werden. Dieser Beitrag berichtetüber die in der Planungsphase gewonnenen Erfahrungen undstellt den derzeitigen Stand der Arbeiten vor. Abschließend wirddiskutiert, unter welchen Rahmenbedingungen geothermischeSysteme in zukünftigen Tunnelprojekten integriert werden könn-ten.

1 Einleitung

Tunnel werden heutzutage vermehrt mit Tunnelbohrma-schinen vorgetrieben, da diese Bauweise speziell inGrundwasser und in oberflächennahen Lockergesteineneine höhere Sicherheit gegenüber einem zyklischen Vor-trieb bietet. Die oberflächennahe Lage im grundwasser-führenden Lockergestein bedeutet jedoch auch ideale Vo-raussetzungen für eine geothermische Nutzung. Um denTunnelausbau mit Tübbingen geothermisch zu nutzen,muss ein Absorberleitungssystem integriert werden, dasdie Kupplung der einzelnen Betonsteine untereinanderzulässt und gleichzeitig die niedrigen geometrischen Tole-ranzen beim Einbau erfüllt.

Ein solches System – der EnergietübbingÆ – wurde ge-meinsam von den Firmen Rehau AG + Co und Ed. ZüblinAG (Zentrale Technik) entwickelt. Im Baulos H8 – Tun-nel Jenbach, als Teil der Zulaufstrecke Nord zum BrennerBasistunnel, wird derzeit ein 54 m langer Tunnelabschnittmit einer geothermischen Anlage ausgerüstet, die als ers-tes Energietübbing-Wärmekraftwerk ein städtisches Be-triebsgebäude der Gemeinde Jenbach mit Wärmeenergieversorgen wird [2].

Design and construction of the tunnel geothermalsystem in Jenbach

Planung und Bau der Tunnel-Geothermieanlagein Jenbach

Stephan FrodlJan Niklas FranziusThomas Bartl

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3Special print: Geomechanics and Tunnelling 3 (2010), No. 5

S. Frodl/J. N. Franzius/T. Bartl · Design and construction of the tunnel geothermal system in Jenbach

tion of the TEN axis 1 “Berlin-Palermo”. The opening ofthis high-capacity rail connection in 2012 should offer anattractive alternative to road freight transport through theAlps. Almost 32 km of the line will run through tunnels,troughs, cut-and-cover and in a gallery, with various con-struction methods. The two-track tunnels are designed forpassenger and goods services

Contract H8 – Tunnel Jenbach includes, in additionto the shield tunnel, a 610 m long ramp, a 230 m cut-and-cover section, seven side tunnels, seven shafts with the ap-propriate shaft head buildings and further overground in-frastructure. The shield tunnel is being driven by a tunnelboring machine with segment lining. The tunnel will passunderneath existing railways lines, the Zillertalbahn line,the Inntal autobahn A12 and many buildings. The shieldtunnel has a length of 3,470 m and is completely below thegroundwater table.

3 Development and function of the energy segment

Energy lining segments contain absorber pipes laid inloops to extract heat from the soil or deliver heat to thesoil. The same reinforcement cages and formwork sets areused for make the energy segments as for conventionalsegments. This ensures that the production of the energysegments can be efficiently incorporated into standardproduction.

Figure 1 shows a CAD model of a tunnel with energysegments and Figure 2 shows a CAD model of a single seg-ment. The layout of the absorber pipes can be clearly seen.

2 Projektbeschreibung Los H8 Tunnel Jenbach

Die derzeit in Bau befindliche Unterinntaltrasse mit einerLänge von ca. 40 km stellt die Zulaufstrecke Nord für denzukünftigen Brenner Basistunnel dar und bildet somit ei-nen Teilabschnitt der TEN-Achse 1 „Berlin-Palermo“.Durch die Schaffung dieser leistungsfähigen Eisenbahn-verbindung, die 2012 ihren Betrieb aufnimmt, wird eineattraktive Alternative zum Güter- und Warenverkehr aufder Straße durch den Alpenraum errichtet. Fast 32 kmdieser Anlage befinden sich in Tunneln, Wannen, Unter-flurtrassen und in einer Galerie, die mit unterschiedlichenBaumethoden errichtet wurden. Die Zweispurtunnel sindfür Personen- und Güterverkehr konzipiert

Im Baulos H8 – Tunnel Jenbach werden neben demSchildtunnel eine Grundwasserwanne mit ca. 610 m Län-ge, eine offene Bauweise mit ca. 230 m Länge, sieben Sei-tenstollen, sieben Schächte und entsprechende Schacht-kopfgebäude sowie weitere übertägige Infrastrukturanla-gen hergestellt. Der Schildtunnel wurde mit einer Tunnel-vortriebsmaschine und Tübbingausbau aufgefahren. ImZuge des Vortriebs wurden die bestehenden Gleise derÖBB, der Zillertalbahn, die Inntalautobahn A12 und meh-rere Gebäude unterfahren. Der Schildtunnel hat eine Län-ge von ca. 3.470 m und liegt vollständig im Grundwasser.

3 Entwicklung und Funktionsweise des Energietübbings

Im Energietübbing sind Absorberrohre in Schlaufen ver-legt, um dem Boden Wärme zu entziehen oder in dieseneinzuleiten. Dabei werden für die Herstellung der Ener-gietübbinge die gleichen Bewehrungskörbe und Schalsät-ze benutzt wie für gewöhnliche Tübbinge. Damit ist ge-währleistet, dass sich die Herstellung der Energietübbingeeffizient in die Standardproduktion integrieren lässt.

Bild 1 zeigt ein CAD-Modell eines mit Energietübbin-gen ausgerüsteten Tunnels. In Bild 2 ist zur Veranschauli-chung ein CAD-Modell eines einzelnen Energietübbingsdargestellt. Die Lage der Absorberleitungen ist deutlich zuerkennen. In Bild 3 ist ein mit Absorberrohren ausgerüste-ter Bewehrungskorb in der Schalung unmittelbar vor der

Fig. 1. CAD view of the energy lining segments included theemergency tunnel and shaft as well the pipes to the consu-merBild 1. Schematische Darstellung des Tunnels mit Ener-gietübbingen einschließlich Rettungsstollen und Schacht,sowie Leitungen bis zum Verbraucher

Fig. 2. 3D-CAD view of one energy lining segments with ab-sorber pipes and reinforcement cageBild 2. 3D-CAD-Darstellung eines Energietübbings mit Ab-sorberleitungen und Bewehrung

Fig. 3. Absorber pipes fitted to reinforcement cage in steelmould prior to concretingBild 3. Absorberrohre mit Bewehrungskorb in einer Stahl-schalung für die Tübbingbetonage


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Figure 3 shows a reinforcement cage equipped with ab-sorber pipes in the formwork immediately before concret-ing. The concrete cover is not affected by the fixing of theabsorber pipes to the inside of the outside layer of rein-forcement.

The absorber pipes laid consist of cross-linked poly-ethylene (PE-X). The external diameter of the pipes is 20mm and the average spacing of the absorber pipes is be-tween 25 and 30 cm. The coupling for the absorber pipesin neighbouring segments is integrated into the precast el-ement so that no part projects into the kinematic envelope(Figure 4). An additional mould is integrated into theformwork in the longitudinal joint on the inside face ofthe segment for the production of these coupling pockets.This does not impinge on the external sealing groove forthe sealing gasket. The size of the coupling pockets is keptas small as possible so that the reduced contact section ofthe longitudinal joints is not altered. The structural load-bearing behaviour is not affected.

In order to provide the connection to the adjacentsegment, the coupling pocket has to be manufactured withgreat geometric precision. The ends of the absorber pipesin the coupling pocket are relatively short, so they have tolie as exactly as possible opposite each other. The cou-pling of the absorber pipes between the segments is suffi-ciently flexible to make up for installation tolerances. Theconnection is also sufficiently soft to be able to accept anylater deformations in the joint due to ring deformation un-der external loading. After the segments have been in-stalled, the pipes are connected in the back-up using acoupling system developed Rehau (Figure 5).

4 Pilot scheme as a geothermal heating station4.1 Pilot scheme

Because the Jenbach tunnel passes under the area of Jen-bach council and there are potential consumers of geot-hermal energy near the rescue shaft, the Jenbach Tunnelseemed very suitable for a pilot scheme. The tunnel passes

Betonage abgebildet. Die Betonüberdeckung wird durchdie Anbringung der Absorberleitungen an der Innenseiteder äußeren Bewehrung nicht beeinflusst.

Als Absorber werden in den Tübbingen Leitungsrohreaus vernetztem Polyethylen (PE-X) verlegt. Der Außen-durchmesser der Leitungsrohre beträgt 20 mm und dermittlere Abstand zwischen Absorberleitungen liegt zwi-schen 25 und 30 cm. Die Kupplungsstelle für die Absor-berleitungen benachbarter Tübbinge ist in das Betonfer-tigteil integriert, sodass keine Bauteile in das Lichtraum-profil hineinragen (Bild 4). Zur Herstellung dieser Kupp-lungstaschen wird ein zusätzlicher Aussparungskörper indie Schalung eingebaut. Die Aussparungen befinden sichin den Längsfugen an der Tübbinginnenseite. Dadurchwird die in der Nähe der Außenseite liegende Dichtungs-nut mit dem Dichtungsrahmen nicht beeinträchtigt. DieAbmessungen der Kupplungstaschen sind so gering gehal-ten, dass die Gelenkhalsgeometrie der Längsfugen nichtverändert wird. Das statische Tragverhalten wird somitnicht beeinflusst.

Um die Verbindung mit dem benachbarten Tübbingzu gewährleisten, bedarf es bei der Herstellung der Aus-sparungen einer hohen geometrischen Genauigkeit. DieEnden der Absorberleitungen in den Kupplungstaschensind relativ kurz, sodass diese für das Kuppeln möglichstexakt gegenüber liegen müssen. Dennoch ist die KupplungderAbsorberleitung zwischen den einzelnen Tübbingen soflexibel, um Einbautoleranzen auszugleichen. Außerdemist die Verbindung so weich, um eventuelle spätere Verfor-mungen in den Längsfugen infolge von Ringverformungendurch äußere Lasteinwirkungen auf den Tunnel aufneh-men zu können. Sobald die Tübbinge eingebaut sind, wer-den diese im Nachlauf der TBM mithilfe eines von Rehauentwickelten Kupplungssystems verbunden (Bild 5).

4 Pilotstrecke als Wärmekraftwerk aus Energietübbingen4.1 Pilotstrecke

Da der Tunnel Jenbach im Los H8 Bereiche der GemeindeJenbach unterfährt und sich in unmittelbarer Nähe vonRettungsschächten potenzielle Abnehmer der gewon-nenen geothermischen Energie befinden, erschien derTunnel Jenbach als sehr geeignet für eine Pilotstrecke. DerTunnel liegt in grundwasserführenden Sand- und Kiesla-gen und verläuft ungefähr parallel zum Inn. Die Überlage-rung im Bereich Jenbach liegt bei ca. 16 m. Dies stellt op-timale Bedingungen für eine geothermische Nutzung dar.Sowohl bei der Gemeinde Jenbach als auch auf Seiten derÖBB bestand ein großes Interesse bzw. eine offene Bereit-schaft, eine geothermische Pilotanlage im Tunnel Jenbachzu errichten. Die ÖBB erklärte sich bereit, dass der TunnelJenbach für die Energiegewinnung verwendet werdenkann. Bedingung hierfür war jedoch, dass der Unterhaltdes Tunnels und der spätere Zugbetrieb durch die Ener-gietübbinge nicht beeinträchtigt werden. Für die Gemein-de Jenbach bot sich die Gelegenheit zur Nutzung der Geo-thermie bei der Heizungsunterstützung in den Betriebs-räumen des Bauhofs der Gemeinde Jenbach. Hier standohnehin eine Heizungserneuerung an.

Zu dem Zeitpunkt, als entschieden wurde, dass imLos H8 – Tunnel Jenbach Energietübbinge eingebaut wer-den sollen, waren die Planungen für den Tübbingausbau

Fig. 4. Energy lining segments prior to installation in tun-nel. Coupling pockets enable the connection of adjacent pi-pes.Bild 4. Energietübbing vor Einbau in den Tunnel. Deutlichsind die Kupplungsstellen für die Verbindung der Absorber-rohre zu erkennen.


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through submerged sands and gravel layers and runs ap-proximately parallel to the Inn River. The overburden un-der Jenbach is about 16 m, which provides the best pre-conditions for geothermal exploitation. There was greatinterest from Jenbach town council and also from ÖBB(Austrian Railways) to construct a geothermal pilot plantin the tunnel. The ÖBB approved the geothermal use ofthe Jenbach Tunnel but the condition was that the mainte-nance of the tunnel and later rail services would not beimpaired. For Jenbach, the exploitation of geothermal en-ergy offered the chance to support the heating of the op-erations building in the town building yard, where renew-al of the heating was due anyway.

When the decision was reached to install energy seg-ments on contract H8 – Tunnel Jenbach, the design of thesegment lining and the rescue shaft were already mostlycomplete and the production of segments and the TBMdrive had already started. This imposed many restrictionsand the design of the energy segments and pipework hadto be integrated into the existing design. This necessitatedmany discussions with the various consultants. The sched-ule was also very tight in order not to hold up the tun-nelling work.

Altogether 27 rings of energy segments were installedin the tunnel in accordance with the energy demand ofJenbach town council, which corresponds to a length of54 m. Two rings (in one case three) were connected to acircuit and run to a distribution module (Figure 6). Col-lector pipework runs from here as feed and return up therescue shaft at km 40.794 to the Jenbach building yard,where it is connected to a gas heat pump to provide heat-ing. The geothermal system is designed to cover the basicdemand. The gas heat pump is designed for typical peakloads.

About 25 m of absorber pipes are laid in each energysegment. A ring consists of seven segments and a smallkeystone, resulting in a total of about 175 m of absorber

und die Rettungsstollen bereits weitestgehend abgeschlos-sen. Die Produktion der Tübbinge und der Vortrieb hattenbereits begonnen. Dies bedeutete, dass viele Randbedin-gungen vorgegeben waren und die Planung für die Ener-gietübbinge und alle Leitungen in die bestehende Planungintegriert werden musste. Dies wiederum führte zu vielenSchnittstellen und bedurfte vielseitiger Abstimmungen mitden verschiedenen Planern und Beteiligten. Zudem be-stand ein hoher Termindruck, damit sich für den Vortriebkeine Verzögerungen ergaben.

Entsprechend dem benötigten Wärmebedarf der Ge-meinde Jenbach wurde der Tunnel mit insgesamt 27 Rin-gen aus Energietübbingen ausgerüstet, was einer Längevon 54 m entspricht. Jeweils zwei (bzw. einmal drei) Ringewurden zu einem Kreislauf zusammengeschlossen und zueinem Verteilermodul geführt (Bild 6). Von hieraus wirdjeweils eine Sammelleitung für den Vor- und Rücklaufüber den Rettungsschacht bei km 40,794 an die Oberflä-che und bis zum Bauhof der Gemeinde Jenbach geführtund dort an eine gasbetriebene Wärmepumpe angeschlos-sen, die den Bauhof der Gemeinde mit Heizenergie ver-sorgt. Die Geothermieanlage ist so ausgelegt, dass derGrundbedarf gedeckt wird. Die gasbetriebene Wärme-pumpe wird für typische Spitzenlasten ausgelegt.

In jedem Energietübbing sind ca. 25 m Absorberlei-tungen verlegt. Ein Ring besteht aus sieben Elementenund einem kleinen Schlussstein. Somit liegen in einemRing ca. 175 m Absorberleitungen. Das Betriebsgebäudeder Gemeinde Jenbach, in dem sich die Wärmepumpe be-findet, liegt ca. 90 m vom Rettungsschacht entfernt. DieLänge der isolierten Sammelleitungen für den Vor- undRücklauf zwischen Modulverteiler an der Schleusentürim Rettungsstollen und der Wärmepumpe im Betriebs-gebäude beträgt ca. 2 × 170 m. Die Leitungen, die Wär-mepumpe und die Tunnelschale wurden mit einem um-fangreichen Messprogramm ausgerüstet, um für zukünfti-ge Projekte eine fundierte Datenbasis zu erhalten.

Fig. 5. Connection of the absorber pipes of adjacent energy lining segments.Bild 5. Kupplung der Absorberrohre




pipe in each ring. The Jenbach building yard, which willcontain the heat pump, is about 90 m from the rescueshaft. The length of the insulated feed and return pipesfrom the module distributor at the vestibule door in therescue shaft to the heat pump is about 2 × 170 m. Thepipework, heat pump and tunnel lining are fitted with aconsiderable amount of measuring equipment in order toprovide data for future projects.

4.2 Production of the system

The design of the geothermally exploited stretch of tun-nel had to be dimensioned according to the consumer’sdemand. The required peak of the building to be heatedwas about 80 kW at an outdoor temperature of –16 °C.With the gas heat pump, the geothermal heating plantwill have to cover a demand of 43 kW. The burner of thegas heat pump delivers about 28 kW. So about 15 kW hasto be extracted from the ground. A finite differencemethod (FDM) calculation was performed to determinethe required area and thus the necessary tunnel lengthwith energy segments installed. The procedure is basedon the assumption that the tunnel is sufficiently long inhomogeneous ground and the entire tunnel lining isthermally activated. This leads to a radially symmetricalheat field that can be considered in one dimension. Themodel used and the calculations are presented in detailin [1].

4.2 Ergiebigkeit der Anlage

Für die Planung der geothermisch genutzten Tunnelstre-cke musste die Anlage im Hinblick auf die Anforderungendes Endabnehmers dimensioniert werden. Die benötigetSpitzenleistung des zu beheizenden Gebäudes liegt bei ca.80 kW bezogen auf eine Außentemperatur von –16 °C.Mithilfe der gasbetriebenen Wärmepumpe soll über dieGeothermieanlage eine Leistung von ca. 43 kW abgedecktwerden. Der Brenner der gasbetriebenen Wärmepumpeliefert rund 28 kW. Somit werden noch ca. 15 kW als Ent-nahmeleistung aus dem Boden benötigt. Zur Bestimmungder erforderlichen Fläche und damit der notwendigenTunnellänge, die mit Energietübbingen ausgerüstet wer-den muss, wurde eine Bemessung mit der Finite Differen-zen Methode (FDM) durchgeführt. Hierzu wurde ein 1D-Modell verwendet. Grundlage für diese Vorgehensweiseist die Annahme, dass es sich hier um einen unendlich lan-gen Tunnel im homogenen Baugrund handelt, dessen ge-samte Tunnelschale thermisch aktiviert wird. Dies führtzu einem radialsymmetrischen Wärmefeld, das eindimen-sional betrachtet werden kann. In [1] wird das verwendeteModell und die Berechnungen ausführlich vorgestellt.

4.3 Leitungsführung und Zugänglichkeit

Generell handelt es sich bei der Geothermieanlage mitEnergietübbingen um ein wartungsfreies und sicheres Sys-

Fig. 6. Schematic view of absorber circuitBild 6. Schemaskizze Absorberkreisläufe




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4.3 Pipe runs and accessibility

Geothermal system with energy segments will not requiremaintenance in the tunnel. The construction of an innerfire protection lining means that the energy lining seg-ments and the couplings are not accessible at a laterstage. After the system has been pressure tested and com-missioned, it is no longer necessary or indeed possible toundertake further alterations to the absorber system.

Nonetheless, it should be possible to regulate the in-dividual circuits at the distributor, so this should remainaccessible. In order to ensure uninterrupted rail serviceswith the related operational and safety requirements, theÖBB required the distributor to be placed in the rescueshaft in front of the vestibule door to the main tunnel. Thismakes it possible to reach the distributor down the rescueshaft if required for maintenance or repair without affect-ing operation in the tunnel. This has the result that all 26absorber circuits for the feed and return of the 13 energysegment circuits have to be run from the segments to therescue shaft. Because of the restricted space, particularlyat the junction with the rescue shaft, this causes consider-able extra difficulties and expense for pipework installa-tion (Figure 7).

Because the edge path (shoulder) already containscountless pipes and cable ducts, it was not possible to findany more space for the absorber pipes to the distributormodule. Particularly at the junction to the rescue shaft, itwas impossible to run the pipes past a cable shaft withoutcrossing it. Because the edge path will be constructed at alater stage, little adjustment was possible. Therefore it wasdecided to run the absorber pipes between the energy seg-ments and the distributor module in the invert of the maintunnel and under the cable duct at the rescue shaft. Figure

tem. Durch den Einbau einer Brandschutzschale sind dieEnergietübbinge bzw. die Kupplungen der Absorberleitun-gen später nicht mehr zugänglich. Nach der Durchführungvon Drucktests und der Inbetriebnahme der Anlage ist esnicht mehr erforderlich und möglich, Anpassungen amAbsorbersystem vorzunehmen.

Dennoch sollte die Möglichkeit bestehen, über einenVerteiler einzelne Absorberkreisläufe zu regeln. Dahermusste eine Zugänglichkeit zu diesem Verteiler erhaltenbleiben. Um den laufenden Bahnbetrieb und die entspre-chenden betriebstechnischen und sicherheitstechnischenAnforderungen ohne Beeinträchtigung zu gewährleisten,wurde von Seiten der ÖBB gefordert, dass der Verteiler imRettungsstollen vor der Schleusentür zum Haupttunnelangeordnet wird. Somit ist es im Bedarfsfall möglich, fürWartungs- oder Regelungsarbeiten über den Rettungs-schacht zum Verteiler zu gelangen, ohne dass der Tunnel-betrieb beeinträchtigt wird. Dies hat zur Folge, dass alle 26Absorberleitungen für den Vor- und Rücklauf der 13 Ener-gietübbing-Kreisläufe von den Energietübbingen bis inden Rettungsstollen geführt werden mussten. Aufgrundder geringen Platzverhältnisse insbesondere am Übergangzu den Rettungsstollen bedeutete dies erhebliche Schwie-rigkeiten und Aufwendungen in der Leitungsinstallation(Bild 7).

Da im Randweg (Bankett) bereits zahlreiche Leitun-gen und Kabelschächte vorhanden sind, war es nicht mög-lich, die Absorberleitungen bis zum Modulverteiler eben-falls hier zu verlegen. Insbesondere am Übergang zum Ret-tungsstollen war es unmöglich, die Leitungen an dem dortvorhandenen Kabelschacht vorbei zu führen, ohne diesenzu durchqueren. Da der Randweg zu einem späteren Zeit-punkt ausgeführt wird, waren Abstimmungen nur einge-schränkt möglich. Daher wurde entschieden, die Absor-berleitungen zwischen den Energietübbingen und demModulverteiler im Sohlbereich des Haupttunnels zu verle-gen und unter dem Kabelschacht am Rettungsstollen hin-durch bis zum Modulverteiler zu führen. Bild 8 zeigt dieVerbindungsleitungen zwischen Energietübbing-Kreisläu-

Fig. 7. Plan view of connection pipes at the interfacebetween main tunnel and intervention tunnel.Bild 7. Leitungsverlauf und Modulverteiler im Übergangsbe-reich vom Haupttunnel zum Rettungsstollen im Grundriss

Fig. 8. Connection circuits before placing of the tunnel in-vert slabBild 8. Verbindungsleitungen zwischen Tübbing-Kreisläufenund Sammelleitung im Rettungsstollen




8 shows the pipes connecting the energy segment circuitswith the rescue shaft before the placing of the fill in therunning tunnel.

Figure 9 shows the pipework out of the running tun-nel and into the rescue shaft, and Figure 10 shows theconnecting pipes before concreting of the inner lining and

fen und dem Rettungsstollen vor Einbau der Sohlauffül-lung im Streckentunnel.

In Bild 9 ist die Leitungsführung aus dem Strecken-tunnel in den Rettungsstollen dargestellt. In Bild 10 sinddie Verbindungsleitungen vor der Betonage der Brand-schutzschale und die Durchführung durch die Konter-

Fig. 9. Section through connection pipes at the interfacebetween main tunnel and intervention tunnel.Bild 9. Leitungsverlauf und Medulverteiler im Übergangsbe-reich Haupttunnel zum Rettungsstollen im Schnitt

Fig. 10. Connection pipes atthe junction of tunnel and in-tervention tunnelBild 10. Absorberleitungen im Übergang zum Rettungsstol-len


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A W i l e y C o m p a n y

■ Die in den 1970er-Jahren erschienene dreibändige Reihe „Baugruben“ war als Standardwerk rund drei Jahrzehnte lang gültig. Mit der Einführung des Teilsicher-heitskonzepts wurde eine völlige Überarbeitung erforderlich. Grundlage für das vorliegende Werk ist der ursprüngliche Teil 3. Soweit es zum Verständnis erforder-lich war, wurde er ergänzt mit Inhalten aus den Teilen 1 und 2. Das vorliegende Buch behandelt unverkleidete Baugruben, im Boden einge-spannte, einfach und mehrfach gestützte Baugrubenwände. Die Bemessung der Einzelteile wird aufgrund der Komplexität der neuen Bemessungsnormen für Holz, Stahl und Stahlbeton zum Teil nur in den Grundzügen behandelt. Neu sind der

Abschnitt „Nachweis von Verankerungen“ sowie die Kapitel „Bettungsmodulverfahren“ und „Finite-Elemente-Methode“, die wegen der wachsenden Bedeutung des Nachweises der Gebrauchstauglich-keit immer wichtiger werden. Beim Umsetzen des Teilsicherheitskonzepts zeigen sich viele Schwierigkeiten erst bei der Anwendung. Daher ist das Kapitel mit Berechnungsbeispielen erheblich erweitert worden. Das Buch ist ein wertvoller Ratgeber für die tägliche Praxis in der Geotechnik und im übrigen Konstruktiven Ingenieurbau.

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without the inner formwork. The inner of the inner liningcan be seen to the left and right of the pipes. The restrict-ed space is apparent.

4.4 Approval under water law

A geothermal system in Austria has to be approved by theresponsible water authority. The forms, information andrequirements are, however, not particularly applicable to ageothermal system using energy segments in a tunnel. Theresponsibilities for the application were unclear since, be-cause the owner and the operator of the geothermal sys-tem are not the same legal entity.

First the concept of a geothermal system with energysegments had to be explained to the authorities. The tun-nel passes under many properties and each owner has togive their approval. This made it necessary to research allproperties and owners, which was a time-consumingprocess. However, on account of the helpful support fromthe authorities and the ÖBB, it proved possible to com-plete this process on schedule.

4.5 Contractual aspects

In order to contractually fix the responsibilities of the var-ious parties, the following parts of the geothermal systemwere clearly distinguished:• Collector system: this includes all devices and pipework

installed in the tunnel and rescue shaft, which is solelyintended for geothermal exploitation. The owner (andoperator) of the tunnel (ÖBB) is also owner of the col-lector system.

• Heat pump system: this includes all devices andpipework from the plot boundary of the rescue shaft

schalung zu sehen. Links und rechts der Leitungen ist dieBewehrung der Brandschutzschale zu erkennen. Es wer-den die engen Platzverhältnisse deutlich.

4.4 Wasserrechtliche Bewilligung

Eine Geothermieanlage muss in Österreich durch diezuständige Wasserbehörde genehmigt werden (wasser-rechtliche Bewilligung). Die entsprechende Formulare,Vorgaben und Anforderungen sind jedoch nicht unmit-telbar auf die Geothermieanlage mit Energietübbingenin einem Tunnel übertragbar. Anfänglich war unklar, werden Antrag zu der wasserrechtlichen Bewilligung zustellen hat, denn der Eigentümer und der Betreiber derGeothermieanlage sind nicht dieselbe juristische Per-son.

Den Behörden musste zunächst das Konzept derGeothermieanlage aus Energietübbingen dargelegt wer-den. Da der Tunnel mehrere verschiedene Grundstückeunterfährt, bedarf es einerZustimmung aller Grundstücks-eigentümer. Hierzu mussten sämtliche Grundstücke undEigentümer ermittelt werden, was einen erheblichen Zeit-aufwand bedeutete. Wegen der bereitwilligen Unterstüt-zung seitens der Behörden und der ÖBB konnte diesesVerfahren jedoch innerhalb der vorgesehenen Zeit abge-schlossen werden.

4.5 Vertragliche Aspekte

Um die Verantwortlichkeiten der Projektbeteiligten ver-traglich zu regeln, wurde zwischen folgenden Teilen derGeothermieanlage unterschieden:• Kollektoranlage: Diese umfasst alle im Tunnel und Ret-

tungsschacht installierte Geräte- und Leitungstechnik,die ausschließlich zur geothermischen Nutzung erfor-derlich ist. Der Eigentümer (und Betreiber) des Tunnels(ÖBB) ist auch Eigentümer der Kollektoranlage.

• Wärmepumpenanlage: Dies ist die gesamte Geräte- undLeitungstechnik ab der Grundstückgrenze des Rettungs-schachtes bis hin zum Verbraucher. Der Verbraucher(Gemeinde Jenbach) ist Eigentümer derWärmepumpen-anlage.

Kollektor- und Wärmepumpenanlage bilden zusammendie Geothermieanlage. Die Gemeinde Jenbach ist Nutzerund somit Betreiber der Geothermieanlage. Die vertragli-chen Vereinbarungen regeln auch betriebliche Fragen,zum Beispiel den Zugang zu der Kollektoranlage zu War-tungszwecken oder die Verwendung der Messdaten. DieÖBB stellt dabei die Kollektoranlage der Gemeinde Jen-bach zur Verfügung, ist jedoch nicht für den technischenBetrieb der Anlage zuständig.

Um die Abhängigkeiten zwischen Verbraucher unddem Besitzer/Betreiber des Tunnels in zukünftigen Pro-jekten einfacher zu gestalten, ist zu überlegen, ob in neuenProjekten ein unabhängiger Energielieferant/-kontraktorden Betrieb derAnlage übernehmen könnte. Dieser würdedann als Schnittstelle zwischen Tunnelbetreiber und Ver-braucher fungieren.

Ein weiteres denkbares Modell ist, dass der Tunnelei-gentümmer/-betreiber die mit dem Energietübbing gewon-nene Energie an einen Verbraucher verkauft und somit als

Fig. 11. (a) geothermal image of one absorber circuit inoperation; (b) the same view as a conventional imageBild 11. (a) Wärmebildaufnahme von einem Kreislauf;(b) gleicher Bildausschnitt in optischer Aufnahme




and to the consumer. The consumer (Jenbach towncouncil) is the owner of the heat pump system.

Collector and heat pump systems together form the geo-thermal system. The Jenbach town council is the user andthus operator of the geothermal system. The contract alsoregulates operational questions, for example access to thecollector system for maintenance or the evaluation ofmeasurement data. The ÖBB thus provides the collectorsystem to the town council but is not responsible for thetechnical operation of the plant.

In order to make the dependencies between con-sumer and owner/operator of the tunnel simpler for futureprojects, it should be considered whether an independentenergy supplier/contractor could undertake the operationof the plant. This would than act as the interface betweentunnel operator and consumer.

Another conceivable model is that the tunnel own-er/operator sells the energy gained from the energy seg-ments to the consumer and thus acts as energy supplier.This could then open a new field of business or tunnelowners/operators.

5 Progress of the works

The work on the geothermal system in the Jenbach Tunnelis complete. All circuits are connected and laid to thestructural boundary in the rescue shaft. At the moment,the connections to the building yard are being laid and theheating renewed. Figure 11 shows a thermal image of theenergy segments in the Jenbach Tunnel, which was carriedout as part of one of the pressure tests. The circulation inthe energy segments can be seen clearly (two rings) as thecircuits were filled with warm water for this test. A photo-graph of the same section of tunnel is also shown.

6 Summary

The energy segments developed by Rehau AG & Co andEd. Züblin AG for the exploitation of geothermal energy inmechanically bored tunnels have been put into use in a pi-lot scheme 54 m long in the Jenbach Tunnel to supply heatto a building on the surface. The project has beenequipped with comprehensive monitoring system, whichallows the measurement of the temperature of the seg-ments and also the feed and return pipes. This data shouldpermit the optimisation of future geothermal systems intunnels.

The advantage of integrating geothermal systems in-to engineering structures is that the structures are beingbuilt anyway. For the Jenbach Tunnel contract H8, theexisting design work was made use of. No additionalconcrete elements were required, just the pipework (ab-sorber pipes, distributor module, feed and return pipes)had to be additionally provided. However, many restric-tions had to be observed. Each part of the installationhad to be integrated into the construction schedule with-out causing delay to the overall construction schedule.The approval process required new ground to be troddenwith the authorities and the ÖBB. Agreements had to bereached between the parties and laid down in appropri-ate contracts.

Energielieferant fungiert. Dies könnte dann ein weiteresGeschäftsfeld für den Tunneleigentümmer/-betreiber dar-stellen.

5 Stand der Arbeiten

Die Arbeiten für die Geothermieanlage im Tunnel Jenbachsind abgeschlossen. Alle Kreisläufe sind verbunden unddie Leitungen bis an die Baufeldgrenze am Rettungs-schacht verlegt. Derzeit werden die beiden Sammelleitungbis zum Bauhof der Gemeinde Jenbach verlegt und dieHeizungsanlage im Bauhof erneuert. Bild 11 zeigt eineWärmebildaufnahme des Tunnels Jenbach im Bereich derEnergietübbinge, die im Rahmen eines Drucktests erstelltwurde. Deutlich zu erkennen ist ein Kreislauf der Ener-gietübbinge (zwei Ringe). Für diese Aufnahme wurden dieEnergietübbinge mit warmen Wasser beaufschlagt. Dane-ben ist derselbe Bildausschnitt des Tunnels als reale Auf-nahme gezeigt.

6 Zusammenfassung

Der von Rehau AG & Co und Ed. Züblin AG entwickelteEnergietübbing zur Nutzung von Geothermie in maschi-nell vorgetriebenen Tunneln wurde im Tunnel Jenbach alserste Pilotstrecke mit 54 m Länge zur Versorgung einesdarüberliegenden Gebäudes realisiert. Das Projekt ist miteinem umfangreichen Messprogramm verbunden, bei demdie Temperatur der Tübbinge sowie der Vor- und Rückläu-fe gemessen werden soll. Diese Messdaten werden dazubeitragen, zukünftige Geothermieanlagen in Tunneln zuoptimieren.

Der Vorteil, Geothermie in Ingenieurbauwerke zu in-tegrieren, liegt vor allem darin, dass diese Bauwerke oh-nehin gebaut werden. Für den Tunnel Jenbach, Los H8wurde auf die bereits bestehende Planung zurückgegrif-fen. Keine zusätzlichen Betonteile wurden benötigt, ledig-lich das Leitungssystem (Absorberleitungen, Modulver-teiler, Vor- und Rücklaufleitungen) musste zusätzlich inder Planung berücksichtigt werden. Dabei waren vieleRandbedingungen zu berücksichtigen. Die einzelnen Ar-beiten mussten in den Bauablauf integriert werden, ohnediesen wesentlich zu beeinträchtigen. Bei der wasser-rechtlichen Bewilligung mussten zusammen mit den Be-hörden und der ÖBB neue Wege erkundet werden. Esmussten vertragliche Regelung zwischen den Beteiligtengefunden und diese in entsprechenden Verträgen fixiertwerden.

Da Tunnelprojekte häufig überbaute Flächen unter-queren, eignen sich Tunnelbauwerke sehr gut zur Nut-zung des geothermischen Potenzials. Das hier vorgestelltePilotprojekt zeigt eine Möglichkeit, Geothermie in kom-plexen Ingenieurbauwerken zu integrieren, um damit dienachhaltige Energieversorgung unserer Städte zu verbes-sern.

Viele Detailprobleme können vermieden werden,wenn bereits bei der Entwurfsplanung die Nutzung derGeothermie mit Energietübbingen berücksichtigt wird.Die vertraglichen Aspekte zur Nutzung der Energie undden Betrieb einer solchen Geothermieanlage sollten be-reits bei der Entwurfsplanung bedacht werden. Hier sindpassende Betreibermodelle zu überlegen.




Because tunnel projects often pass under built-up ar-eas, tunnel structures are very suitable for the exploitationof geothermal energy. The pilot project described hereshows how to integrate geothermal exploitation into acomplex structure to supply the sustainable energy tobuildings.

Many detail problems could be avoided if the use ofenergy lining segments is decided at an early stage of de-sign. The contractual aspects concerning the use of theenergy and the operation of such a system should also beconsidered during the preliminary design phase togetherwith suitable operator models.

References

[1] Mayer, P.-M. & Franzius, J.N.: Thermische Berechnungenim Tunnelbau (Thermal calculations in tunnelling). geotech-nik 33 (2010), Nr. 2, S. 145–151.

[2] Pralle, N., Franzius, J.N. & Gottschalk, D.: StadtBezirk –Mobilität und Energieversorgung – Neue Synergiepotenzialeam Beispiel geothermisch nutzbarer urbaner Tunnel (Towndistrict – new synergy potential in through the example of ge-othermally usable urban tunnels). Bauingenieur 84 (2009), S.98–103.

Both:Ed. Züblin AGZentrale Technik, TunnelbauAlbstadtweg 3D-70567 StuttgartGermany

Dipl.-Ing. (FH) Thomas BartlÖBB Infrastruktur AG /Geschäftsbereich UnterinntalIndustriestraße 1A-6134 [email protected]

Dr. Jan Niklas Franzius, DIC CEng [email protected]

Dipl.-Ing. Stephan [email protected]


Zentrale Technik Technical Head Office, Tunnel EngineeringEd. Züblin AGAlbstadtweg 570567 STUTTGART / DEUTSCHLANDTel. +49 711 7883 - 9374 Fax +49 711 7883 - [email protected]

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