Eisenbahntunnel
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Der Eisenbahntunnel ist die Bauform eines Tunnels für die Eisenbahn.
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[Bearbeiten] Geschichte
Da Adhäsionseisenbahnen eine deutlich geringere Steigung bewältigen können als Straßenfahrzeuge oder Zahnradbahnen, werden Eisenbahntunnel viel häufiger gebaut als Straßentunnel.
Der Oberauer Tunnel, der erste Eisenbahntunnel Deutschlands, entstand zwischen 1837 und 1839 an der Bahnstrecke Leipzig–Dresden. In größerer Anzahl wurden Eisenbahntunnel in Deutschland zwischen 1860 und 1880 errichtet. Von den heute über 900 Eisenbahntunneln in Deutschland stammen knapp zwei Drittel aus dieser Zeit[1]. Die frühen Tunnel wurden nach den Bauvorschriften der Länderbahnen erstellt, die inhaltlich sehr unterschiedlich waren. Tunnel wurden in der Regel nur trassiert, wo die Geologie eine längere Standzeit des Gebirges sicher stellte. Die damalige Tunnelbautechnik, deren Hauptsicherungselement der Holzverbau war, ließ oberflächennahe Tunnel und Tunnel in verwittertem Gestein nicht zu. Umgekehrt war deshalb damals auch ein Sohlgewölbe nicht erforderlich. Der Regelquerschnitt zweigleisiger Eisenbahntunnel in Deutschland lag im Dampflokzeitalter bei 46 m² und stieg mit Einführung der Elektrifizierung auf 82 m² an. Die für 300 km/h trassierten Schnellfahrstrecken weisen einen Regelquerschnitt von 92 m² auf. Der Querschnitt eingleisiger Tunnelröhren liegt bei 60,6 m². (Alle Daten: Stand 2005) Alle seit 1998 für den Mischverkehr geplanten Tunnel weisen zwei parallele, eingleisige Röhren auf.[2]
Im Zuge der Neubaustrecken werden seit Ende der 1970er Jahre wieder verstärkt Tunnel gebaut. So wurden für die 1991 in Betrieb genommenen Schnellfahrstrecken Hannover–Würzburg und Mannheim–Stuttgart insgesamt 87 Tunnel mit einer Gesamtlänge von rund 150 km errichtet. Bei der 2002 eröffneten Schnellfahrstrecke Köln–Rhein/Main konnten, als reine Personenverkehrsstrecke, Steigungen von bis zu 40 (statt vormals 12,5) Promille realisiert werden. Mit 30 Tunneln mit einer Länge von 47 km ging der Tunnelanteil an der Gesamtstrecke von 38 auf 27 Prozent zurück. Die für Personen- sowie schnellen (leichten) Güterverkehr trassierte Neubaustrecke Nürnberg–Ingolstadt weist mit neun, insgesamt 27 km langen Röhren, einen Tunnelanteil von etwa einem Drittel aus. Im Rahmen der geplanten bzw. im Bau befindlichen Strecken Nürnberg–Erfurt, Erfurt–Leipzig/Halle und Wendlingen–Ulm werden in den nächsten Jahren zahlreiche weitere Eisenbahntunnel errichtet werden[2]. Für den Neubau von Eisenbahntunneln ist heute in Deutschland die „Tunnelrichtlinie“ (Richtlinie: Anforderungen des Brand- und Katastrophenschutzes an den Bau und Betrieb von Eisenbahntunneln)[3] des Eisenbahn-Bundesamtes maßgebend.
Für 22 Röhren des Altnetzes sowie alle 49 Tunnel über 1000 m Länge auf den beiden 1991 eröffneten Neubaustrecken kündigte die Deutsche Bahn 2003 ein Programm zur Erhöhung der Sicherheit an. Für rund 150 Millionen Euro entstanden zusätzliche Zufahrten zu den Tunnelportalen sowie neue Rettungsplätze an den Portalen, eine verbesserte Beleuchtung und eine bessere Kennzeichnung der Fluchtwege. Von Fachleuten gefordert, aber nicht realisiert, wurden Trockenleitungen und zusätzliche Notausgänge.[4]
Eisenbahntunnel werden durch Regelbegutachtungen in festgelegten Abständen auf ihre Standfestigkeit und Sicherheit hin untersucht.
Hinsichtlich der Streckenführung finden sich bei den Eisenbahntunneln verschiedene Varianten.
[Bearbeiten] Formen
[Bearbeiten] Sporntunnel
Sporntunnel sind zumeist in Flusstälern zu finden. Da Flussläufe normalerweise eine moderate Steigung aufweisen, wurden viele Eisenbahnlinien durch Flusstäler verlegt. Viele Flusstäler weisen jedoch zum Teil große Flussschlingen auf. Dann ist zur Begradigung und Abkürzung der Trasse ein Sporntunnel notwendig. In den deutschen Mittelgebirgen sind Sporntunnel selten länger als 200 m, im Hochgebirge können sie jedoch auch 1000 oder 2000 m lang sein. Als ungewöhnlich langer Sporntunnel gilt in Deutschland der 4203 m lange Kaiser-Wilhelm-Tunnel an der Moselstrecke. Besonders viele Sporntunnel besitzt die Elstertalbahn zwischen Thüringen und Sachsen. Seltener gibt es Sporntunnel auch bei Straßen. Beispiele dafür sind der 350 m lange Ebenrain-Tunnel bei Sissach und der 180 m lange Oberburg-Tunnel bei Diegten an der Schweizer Autobahn A2.
[Bearbeiten] Scheiteltunnel
Ein Scheiteltunnel ist ein Tunnel, der einen Berg unterhalb eines Passes durchquert. Kennzeichnend sind lange Rampen zu beiden Enden des Scheiteltunnels, die aus den Tälern entlang der Bergflanken ansteigen bis auf die Höhe der Tunnelportale. Je größer die Höhendifferenz ist, die auf der Rampe bewältigt wird, umso kürzer fällt der Tunnel zur Bergdurchquerung aus. Der älteste noch befahrene Eisenbahntunnel Deutschlands, der 691 m lange Buschtunnel (1838), durchsticht nach einer 2 km langen Steilrampe mit 27 ‰ einen Höhenrücken im Aachener Süden. Scheiteltunnel bei Straßen wurden hauptsächlich im Hochgebirge angelegt, so z. B. der Grosser-Sankt-Bernhard-Tunnel.
[Bearbeiten] Basistunnel
Ein Basistunnel führt auf einer Linie durch einen Berg, die ohne steile Auffahrtrampen aus dem Talgrund auskommt. Da die Strecke nicht an Bergflanken empor führt, fällt ein Basistunnel deutlich länger aus als ein Scheiteltunnel. Basistunnel finden sich nur im Hochgebirge, so z. B. der Furka-Basistunnel, Lötschberg-Basistunnel, der in Bau befindliche Gotthard-Basistunnel oder der geplante Brenner-Basistunnel.
[Bearbeiten] Kehrtunnel
Ein Kehrtunnel wird in einem Berg geführt, jedoch nicht um diesen zu durchqueren, sondern um bei Steigungsstrecken im Gebirge die Streckenlänge zu erhöhen, wodurch die Steigung geringer ausfallen kann. Diese Bauart vollführt unterirdisch einen Richtungswechsel von 180 Grad. Das Prinzip wurde erstmalig 1863 beim Bau der Schwarzwaldbahn genutzt.
[Bearbeiten] Kreiskehrtunnel
Ein Kreiskehrtunnel dient dem gleichen Zweck wie ein Kehrtunnel, nur dass der Tunnel keinen Richtungswechsel, sondern wie eine Schraubenlinie einen Kreis von 360 Grad im Berg vollführt und die Streckenrichtung prinzipiell beibehält und eine Schienenstrecke so auf kurzer Luftlinie erheblich an Höhe gewinnen kann. Der einzige Tunnel dieser Bauart in Deutschland ist der 1700 m lange Große Stockhalde-Kehrtunnel der Wutachtalbahn („Sauschwänzlebahn“). Im Hochgebirge sind Kreiskehrtunnel häufiger zu finden. Ein gutes Beispiel dafür findet sich auf der Gotthardbahn.
[Bearbeiten] Kanaltunnel
Kanaltunnel werden zur Unterquerung von Flüssen und Gewässern gebaut. Ein bekanntes Beispiel eines solchen Tunnels ist der 50 Kilometer lange Eurotunnel. Davon verlaufen 38 Kilometer unter dem Meeresboden.
[Bearbeiten] Tunnelproblem
Beim Betrieb von langen Eisenbahntunnels kommt es zu verschiedenen Erscheinungen, die allgemein als Tunnelproblem bezeichnet werden. Diese entstehen in erster Linie durch den begrenzten Raum des Tunnels und der dadurch eingeschränkten Luftmenge, sowie deren ungenügende Zirkulation.
Die größten Probleme treten bei thermischen Fahrzeugen, also bei Dampflokomotiven und Lokomotiven mit Verbrennungmotor (z. B. Diesellokomotiven), auf.
[Bearbeiten] Problemarten
[Bearbeiten] Tunneltemperatur
Die Temperatur im Tunnel wird vor allem bei Tunnels mit mächtiger Gebirgsüberdeckung zum allgemeinen Problem. Denn durch die Geothermie wird es immer wärmer je tiefer der Tunnel unter der Erde liegt. Dies hat zur Folge, dass die Temperatur im Tunnel viel höher sein kann als außerhalb des Tunnels. Temperaturen über 40° Celsius werden in Basistunneln problemlos erreicht. Dieser Temperatursprung im Zusammenhang mit der relativ hohen Luftfeuchtigkeit stellt schon im Grundsatz hohe Anforderungen an das Rollmaterial. Denn durch die hohe Umgebungtemperatur wird die Abgabe der Leistungwärme der Fahrmotoren erschwert. Dieses Grundproblem wird zusätzlich erschwert, da durch den begrenzen Querschnitt des Tunnels auch keine große Luftmenge zur Aufnahme dieser Wärme zur Verfügung steht. Dies kann trotz niedriger Tunneltemperatur selber zum Problem werden. Vor allem bei Diesellokomotiven kann es in einspurigen, steigungsreichen Tunnels problematisch werden, denn ihre Motoren benötigen unter Volllast viel Kühlluft, das heißt, sie bedürfen einer großen Kühlleistung. Dieses Problem verstärkt sich besonders wenn sich mehrere Motoren hintereinander im Zug befinden. Hier steigt die Temperatur der Ansaugluft von Motor zu Motor steil an. So wurden bei der Dreifachtraktion der Krauss-Maffei ML 4000 C'C' in den Steigungen der Rocky Mountains, bei der Ansaugluft des 6. Motors Temperaturen von über 95° C gemessen [5].
[Bearbeiten] Sauerstoff-Problem
Da durch den Tunnelquerschnitt nur eine begrenzte Menge an Sauerstoff zur Verfügung steht, nimmt dieser beim Einsatz von thermischen Fahrzeugen ab. Der verminderte Sauerstoffgehalt nimmt direkt auf den Verbrennungsvorgang Einfluss, dadurch sinkt die Leistung der Fahrzeuge. Daneben kann auch das Personal und die Fahrgäste durch Sauerstoffmangel gefährdet sein. Für diese ist aber das Kohlenmonoxid-Problem die größere Gefahr. Durch die unvollständige Verbrennung bei Dieselmotoren kann auch Kraftstoff in die Abgasanlage gelangen, welcher sich beim Verlassen des Tunnels, durch den nun wieder zur Verfügung stehenden Sauerstoff, entzündet.
Dieses Problem des Kraftstoffes in der Auspuffanlage, trat unter anderem bei den ersten sechs Maschinen der Krauss-Maffei ML 4000 C'C' auf[5] .
[Bearbeiten] Vergiftungsgefahr durch Kohlenmonoxid
Dieses Problem hängt zum Teil direkt mit dem Sauerstoffproblem zusammen. Denn durch den verminderten Sauerstoffgehalt wird die unvollständige Verbrennung gefördert und es entsteht dadurch vermehrt Kohlenstoffmonoxid statt Kohlenstoffdioxid. Da es sich hierbei um ein giftiges Gas handelt, kann dies sehr schnell lebensbedrohlich werden. Das Problem tritt am häufigsten bei Dampflokomotiven und falscher Brennstoffwahl auf. Aber auch bei Diesellokomotiven können die Abgase zu viel Kohlenstoffmonoxid enthalten.
So ist der Unfall am 4. Oktober 1926 im Rickentunnel, auf dieses Problem zurück zuführen. Hier blieb ein Zug im Tunnel stecken, wobei das Personal auf dem Zug und ein Teil der Rettungsmannschaft erstickten.
[Bearbeiten] Sichtproblem oder auch Rauchproblem
Vor allem bei Dampflokomotiven macht der vor dem Führerstand liegende Kamin Probleme, weil er die schädlichen Abgase in die meist offenen Führerstände bläst. Ebenfalls wird dem Lokomotivpersonal die Sicht auf die Tunnelstrecke und damit auch auf die Signale erschwert.
[Bearbeiten] Lösungen
[Bearbeiten] Förderung der natürlichen Belüftung und künstliche Belüftung
Teilweise fördert das Wetter selber eine verbesserte Belüftung des Tunnels, so herrscht in denn meisten Alpentunnel ein steter Luftzug, der vom unterschiedlichen Luftdruck zwischen den beiden Tunnelportalen hervorgerufen wird. Hingegen wird ein quer zur Hauptwetterrichtung liegender Tunnel, mit Scheitelpunkt im Tunnel, fast nicht natürlich belüftet.
Bei gleichmäßig in einer Richtung ansteigenden Tunnels, unterstützt der Kamineffekt die natürliche Tunnelbelüftung. Dieser Effekt ist bei Eisenbahntunnels wegen der flachen Neigung eher schwach ausgeprägt.
Zwei nebeneinander liegende einspurige Tunnelröhren, welche nur in einer Richtung befahren werden, belüften sich besser, als ein doppelspuriger in beiden Richtungen befahrener Tunnel.
Bei Tunnels mit schwacher Überdeckung können auch Abluftkamine eingebaut werden. Dies war während des Dampfzeitalters bei Stadttunnels das normale Vorgehen.
Eine Lösung des Tunnelproblems ist, dass man den Tunnel mit einem Gebläse künstlich belüftet. Die Belüftung kann wegen der hohen Temperatur, auch in der Anfangsphase bei elektrifizierten Tunnels notwendig sein.
[Bearbeiten] Elektrische Zugförderung
Die meisten Probleme lassen sich durch Einführung der elektrischen Zugförderung in Griff bekommen. Dies hat zumeist auch eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit zur Folge, und erhält trotz den höheren Kosten deswegen oft den Vorrang.
Weil man im heißen, fast 20 Kilometer langen Simplontunnel Bedenken hatte ob man die Probleme bei Dampfbetrieb in den Griff bekommen könnte, wurde er von Anfang an elektrisch betrieben.
In Amerika wurden die Tunnelstrecken in Baltimore (Howard-Street-Tunnel) und New York (Park Avenue Tunnel und Zufahrten zur Pennsylvania Station) elektrifiziert errichtet. Auch der Cascadetunnel der Great Northern Railroad wurde 1909 und der Hoosac-Tunnel 1911 elektrifiziert.
[Bearbeiten] Cab-Forward-Lokomotive
Bei den Dampflokomtiven brachte die Anordnung des Führerstandes an der Spitze der Lokomotive in Tunnels erhebliche Vorteile für die Lokomotivführer. Den Vorteil bei den Cab-Forward-Lokomotive erkauft man sich aber durch Nachteile bei der Befeuerung und dem Brennstoff-Transport.
Mit Ölfeuerung bewährte sich das Konzept, dies war aber nicht billig im Betrieb. Sie konnte sich dadurch nicht weit verbreiten und blieb eine Nischenbauart. Bei der Südadriatischen Eisenbahn mit den Gattungen Gr670 und Gr671 war die größte Anzahl an Cab-Forward-Lokomotive mit Kohlefeuerung im Betrieb. Die Southern Pacific Railroad beschaffte sich größere Stückzahl mit Ölfeuerung. Die SP kaufte insgesamt 244 Cab-Forward-Lokomotive, die sich auf Klassen AC-1 bis AC-8 und AC-10 bis AC-12 verteilten.
[Bearbeiten] Einspritzen von Kühlwasser in die Abgase
Diese Technik wird in Nordamerika bei den Bahnstrecken mit längeren Tunnelstrecken verwendet. Dabei wird bei den Diesellokomotiven Wasser in den Abgasstrom gespritzt, um die Wärmeenergie darin an die Wassertropfen zu binden und abzuführen (ein Liter Wasser kann mehr als die vierfache Menge an Wärme aufnehmen als ein m³ Luft).
[Bearbeiten] Untenliegende Luftansaugung
Üblicherweise befinden sich die Lufteintrittsöffnung bei Diesellokomotiven möglichst hoch um keinen Flugschnee und andere Sachen anzusaugen. Doch im Tunnel befindet sich bei Mehrfachtraktion für die nachfolgenden Maschinen die kälteste und unverbrauchteste Luft unten. Aus diesem Grund bestellte die Southern Pacific Railroad ab 1973 mit der Baureihe SD 45T-2 und SD 40T-2, Lokomotiven mit untenliegender Luftansaugung. Diese werden als „Tunnel Motors“ bezeichnet.
[Bearbeiten] Luftwiderstand
Ein eher neueres Problem ist, dass bei höheren Geschwindigkeiten der Luftwiderstand im Tunnel die Leistungsfähigkeit der Lokomotiven begrenzt. Der Widerstand ist die Folge des Luftpolsters den ein Zug im Tunnel vor sich herschiebt. Da dieser Widerstand zum normalen Luftwiderstand im Freien addiert werden muss, nimmt dieser im Quadrat zur Geschwindigkeit zu. Ein Zug im Tunnel braucht darum eine viel höhere Antriebsleistung als im Freien, um die Höchstgeschwindigkeit zu erreichen. In diesem Zusammenhang ist auch der Tunnelknall zu erwähnen.
[Bearbeiten] Funktionen
- Der Pfingstbergtunnel und der Forsttunnel im Verlauf der Schnellfahrstrecke Mannheim–Stuttgart wurden primär aus Umweltschutzgründen gebaut (zur Vermeidung der Trennwirkung der Bahnstrecke) und nicht, um einen Berg zu durchfahren. Sie weisen eine geringe Überdeckung auf und wurden im offenen Vortrieb erbaut.
- Insbesondere im innerstädtischen Bereich lässt sich der Bau einer neuen Bahn nur im Untergrund realisieren, eben im Tunnel. Dies gilt speziell für U- und S-Bahn-Systeme.
Eine Auflistung von Eisenbahntunneln findet man in der Kategorie:Eisenbahntunnel.
[Bearbeiten] Weblinks
- Tabelle aller deutschen Eisenbahn-Tunnel, sortiert nach verschiedenen Kriterien
- Historische Eisenbahntransversalen in den Alpen AlpenTunnel.de
- Bilder (fast) aller deutschen Tunnelportale
[Bearbeiten] Einzelnachweise
- ↑ M. Breidenstein, Neues Tunnelbauverfahren zur Streckenmodernisierung unter laufendem Betrieb, in: Tunnel 2 /2007
- ↑ a b Martin Muncke: Eisenbahntunnel in Deutschland (Fernverkehr). In: Unterirdisches Bauen in Deutschland (2005), Bauverlag, 2005, ISBN 3-9803390-3-3
- ↑ Richtlinie Anforderungen des Brand- und Katastrophenschutzes an den Bau und Betrieb von Eisenbahntunneln mit Stand vom 1. November 2001
- ↑ Rettungsausstiege sind der Bahn zu teuer. In: Frankfurter Rundschau. Nr. 101, 2003, 2. Mai 2003, S. 26.
- ↑ a b Jahrbuch des Eisenbahnwesens 18. Folge, Hestra-Verlag Darmstadt 1967, S. 91-105
