Tunnelbau
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Der Tunnelbau macht sich vielfach die Jahrtausende alten Erkenntnisse des Bergbaus zu Nutze. Dabei wurden Stollen vorgetrieben, die mit Stempel und Verbau gesichert wurden. Später kamen Techniken aus dem Bau von Tonnengewölben hinzu.
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[Bearbeiten] Voraussetzung
Voraussetzung eines Tunnelbauvorhabens ist die genaue Kenntnis der geologischen Beschaffenheit und Festigkeit des Gebirges, der Gesteinsschichtung und -zusammensetzung und ihres Verlaufs sowie der Wasserführung der Gesteinsschichten, der auftretenden Drücke und die bodenmechanische Analyse. Umgrenzung des lichten Raumes, Stärke der Auskleidung, Abdichtung, Wasserführung und Belüftung werden im „Entwurfsquerschnitt“ beschrieben. Im modernen Tunnelbau werden Brandschutzthemen in Form von Fluchtwegen, Notausstiegen, Brandmelde- und Sprinkleranlagen frühzeitig in die Planung mit einbezogen.
[Bearbeiten] Tunnelbaugeräte
Zum Tunnelbau finden unter anderem folgende Maschinen Verwendung:
- Geräte zum Lösen des Gesteins (z. B. Bagger, Bohrhämmer, Drehschlagbohrmaschinen, Schrämmaschinen, Tunnelbohrmaschinen, Schildvortriebsmaschinen), Sprengmittel
- Geräte zum Laden des Gesteins (z. B. Schutterbänder, Stollen- oder Schaufellader, Radlader)
- Geräte zum Transport des Gesteins (z. B. Loren, Feldbahnen, Tiefmuldentransporter, Transportbänder)
- Geräte zum Betonieren (z. B. Betonpumpen, Betonspritzgeräte (sog. Spritzbüffel), pneumatische Betonfördermittel, Schalwagen)
[Bearbeiten] Bauweisen und Vortrieb
Im Gebirge erfolgt der Ausbruch meist durch Sprengen („Schießen“); das Gestein wird anschließend mit Abbaumaschinen entfernt und durch Fördermittel abtransportiert. Die allgemeinen Ausbrucharbeiten umfassen Bohr- und Sprengarbeiten, das Gesteinaufladen, der Abtransport des Abraums, die Durchführung von Sicherheitsmaßnahmen (Stollen- oder Tunnelzimmerung) und die Auskleidung.
Vortrieb ist dabei die Bezeichnung für die Bauweise, aber auch die gewonnene Strecke, die in Meter pro Tag angegeben wird.
- Bei der traditionellen Bauweise wird ein Richtstollen als First- bzw. Sohlstollen ins Gebirge vorgetrieben. Anschließend erfolgt der Gesteinsausbruch abschnittsweise bis zur Erstreckung des Gesamtquerschnitts. Danach schließen sich Sicherung gegen Nachbrechen und Vollausbau als weitere Arbeitsschritte an. Die traditionelle Bauweise erfordert zur Sicherung einen großen Aufwand an Holz.
- Beim modernen Vollausbau werden freigelegte Flächen durch Spritzbeton, Felsanker, Stahlbögen und andere Bauelemente gesichert. Durch Einsatz von vollautomatischen Großmaschinen kann die Auszimmerung entfallen. Diese Methode nennt man die Neue Österreichische Tunnelbauweise (siehe nächstes Kapitel).
In festem Gestein erfolgt der Ausbruch entweder in traditioneller Bauweise oder kontinuierlich im modernen Vollausbau. Bei nicht standfestem Gestein wird der Ausbruch z. T. noch nach traditioneller, aber modifizierte Bauweise vorgenommen:
- Bei der Kernbauweise oder deutschen Bauweise werden zuerst zwei seitliche Sohlstollen als Raum für die Widerlager und ein Firststollen ausgebrochen, bevor man sich durch die Firste zu den Sohlstollen vorarbeitet. Erst nach Fertigstellung der Tunnelwandung wird der Massivkern herausgebrochen.
- Bei der Unterfangbauweise oder belgischen Bauweise beginnt man mit dem Ausbau und der Abstützung der Firste (= Kalotte). Daran schließt sich die Ausführung des Widerlagers abschnittsweise durch seitliches Einschlitzen von einem Richtstollen aus an (= Strossenbau).
- Bei der Alten österreichischen Bauweise wird ein Sohlstollen vorangetrieben, der vergrößert wird. Daran schließt sich das Aufschlitzen bis zum First an. Von dort aus erfolgt der Vollausbruch.
- Bei der Vortriebsbauweise oder englischen Bauweise erfolgt der Vollausbruch nacheinander, an den sich das Einziehen des Gewölbes unmittelbar anschließt.
- Bei der Versatzbauweise oder italienischen Bauweise beginnt man mit dem Ausbruch des unteren Drittels und dem sofortigen Einziehen des unteren Widerlagerteils und Sohlengewölbes.
- Zu den modernen Bauverfahren gehört die Ringbauweise, die mit dem Ausbruch und Ausräumen der Kalotte beginnt. Daran schließt sich das Verlegen mehrteiliger Ringschwellen an, wobei der Ring von Sohl- oder Ringschwelle, Lehrbogen, Reiter und Ausbruchbogen gebildet wird. Nach dem Aufbringen von Spritzbeton kann die Strosse ausgeräumt und das Sohlgewölbe hergestellt werden.
- Die Messerbauweise bedient sich die Firste sichernder, stählerner, zugespitzter Kanaldielen, die am Rand des Gewölbes als Vortriebsmesser bei gleichzeitigem Vortrieb der Tunnelbrust ins Gebirge vorgetrieben werden. Das Gewölbe wird abschnittsweise produziert.
- Bei der Schildvortriebsweise, die im Lockergestein ihre Anwendung findet, wird ein als Deckschild bezeichneter Stahlzylinder im Querschnitt des späteren Tunnelprofils mit hydraulischen Pressen vorangetrieben, die sich ihrerseits gegen das fertige Gewölbe abstützen. In seinem Schutz kann durch eine rotierende Bodenfräse im Vortriebsverfahren die Tunnelröhre ausgeräumt und durch Felsanker und Spritzbeton befestigt werden. Im nächsten Arbeitsgang wird das Gewölbe nach Einziehen der Pressen mit Beton- oder Stahltübbings ausgekleidet. Bei wasserführenden Gesteinsschichten kann der Arbeitsraum durch eine Rückwand abgeschlossen und so unter Überdruck gesetzt werden, dass kein Wasser einbricht.
- Beim Gefrierverfahren können zur Unterfahrung schwerer Bauwerke Rohrschirmdecken eingesetzt werden, wobei dicke Stahlrohre unter die Fundamente vorgetrieben und mit Stahlbeton ausgegossen werden. Vereinzelt wird wassergesättigter, schwimmender Beton vor dem Ausbruch vereist bzw. versteinert.
- Wenn eine nach oben offene Baugrube möglich ist, werden bei geringer Überdeckung (z. B. für Unterpflasterbahnen) Tunnel in offener Bauweise gebaut. Die seitlichen Verbauwände werden vor oder beim Bodenaushub niedergetrieben.
- Bei der Deckelbauweise werden Bohrpfähle aus Stahl oder Stahlbeton errichtet, zwischen denen die Baugrube ausgehoben wird. Sobald die Höhe erreicht ist, in der Bagger bzw. Radlader arbeiten können, wird die Grube zur Aufrechterhaltung des darüber fließenden Straßenverkehrs abgedeckelt. Die Deckelbauweise findet z. B. beim Bau von Unterpflasterbahnen Anwendung.
- Zur Querung von Gewässern wird die Einschwimm- und Absenktechnik in Deutschland selten angewandt. Bei ihr werden an Land vorgefertigte Senkkästen (Caissonverfahren) oder Tunnelstücke eingeschwommen und im ausgespülten Flussbett versenkt. Beispiel: Warnowtunnel
[Bearbeiten] Spritzbetonbauweise (Neue Österreichische Tunnelbauweise)
Die Spritzbetonbauweise (auch Neue Österreichische Tunnelbauweise, NÖT bzw. New Austrian Tunneling Method, NATM) wurde in den 60er-Jahren des 20. Jahrhunderts von den österreichischen Ingenieuren Leopold Müller, Ladislaus von Rabcewicz und Franz Pacher entwickelt und ist bald zu einem Standardverfahren des Tunnelbaues geworden.
[Bearbeiten] Das Prinzip
Der den Hohlraum umgebende Gebirgsring wird planmäßig zum Abtrag der Lasten herangezogen und ist damit Teil der Tragkonstruktion. Eine Aktivierung dieses Gebirgstragrings setzt allerdings Verformungen (sekundärer Spannungszustand) voraus. Eine weitere Voraussetzung ist, dass die Ortsbrust bei einer bestimmten, festzulegenden Abschlagslänge stabil ist. Dies wird durch den an der Ortsbrust herrschenden räumlichen Spannungszustand (es handelt sich um eine Nische im Gebirge) erreicht. Voraussetzung der Spritzbetonbauweise ist damit eine flexible Erstabstützung des Gebirges. Dies ist jedoch nur mit einer ständigen messtechnischen Überprüfung der Annahmen, die dem Vortrieb zugrundeliegen möglich und zulässig. Die Spannungen und Deformationen werden dazu unmittelbar nach dem Einbau der ersten Stützmittel (i. a. die Spritzbetonschale) und im ausgebauten Zustand laufend gemessen. Volle Messquerschnitte (Spannungs- und Verformungsmessung vom ganzen Gebirgsteil) gibt es, je nach geologischen Verhältnissen, in Abständen von 200 m bis 400 m. In Extremfällen, z. B. im städtischen Bereich unter Bauwerken, ist der Abstand gar nur 50 m. Dazwischen liegt ein Punktnetz, über welches die Verformungen der Schale kontinuierlich beobachtet werden. Eine direkte Spannungsermittlung ist messtechnisch aufwendig, zwischen den Messquerschnitten wird sie i. d. R. nur rechnerisch durchgeführt. Wenn das Rechenmodell des Ausbruchs nicht mit den tatsächlichen geologischen Verhältnissen übereinstimmt, was meist der Fall ist, so sind entsprechende Korrekturen der Berechungsparameter erforderlich.
[Bearbeiten] Messverfahren
Die geologischen Vorwerte werden unter anderem mit
- Lastplattenversuchen
- Inklinometern
- Reflexionsmessungen
- Probebohrungen
- Setzungsmessungen
bestimmt. Im Tunnelbau selbst kommen dann noch
- radiale und tangentiale Gebirgsdruckmessdosen
- Messanker mit verschieden langen Extensometern (Messung der Verschiebung im Gebirge)
- Konvergenzstrecken über den Durchmesser (Messung der Veränderung des Durchmessers)
- Firstkontrollmessungen (Lasermessung über die Deformation auf die Länge bezogen)
- Kalottenkontrollmessungen (Lasermessung über die Deformation auf die Länge bezogen)
hinzu.
[Bearbeiten] Der Vortrieb
Der Vortrieb passt sich den jeweiligen geologischen Verhältnissen an, bei kleinen Profilen und spannungsarmen Zonen wird der ganze Querschnitt auf einmal abgetragen, bzw. gesprengt (Abschlag), bei großen Querschnitten oder Problemzonen wird mit einer abgestuften Ortsbrust operiert (Kalotte – Strosse – Sohle – diese mitunter nochmals unterteilt).
[Bearbeiten] Bauliche Maßnahmen
Um kritische Entspannungen und damit eine Auflockerung des umgebenden Gesteins zu minimieren, erfolgen die ersten Sicherungsmaßnahmen unmittelbar nach dem Ausbrechen.
Stützmittel der Spritzbetonbauweise sind:
- hochfester Spritzbeton mit oder ohne Bewehrung
- Felsnägel und -Anker
- Injektionen
- Streckenbögen (Beton, Stahl)
Diese Stützmittel können sowohl gleichmäßig über den ganzen Querschnitt, als auch asymmetrisch (abhängig vom Gebirgsdruck, bzw. der Klüftung) eingebracht werden.
Die Zeit zwischen dem Ausbrechen und dem Ausbau wird als Ringschlusszeit bezeichnet, sie wird einerseits über die beim Vortrieb laufend ermittelten Messungen sowie aus Erfahrungswerten von anderen Baustellen bestimmt. Einflussfaktoren sind die Gebirgsklasse, der lokale Spannungszustand, der zu erwartende und tatsächliche Deformationsgrad und die Geschwindigkeit der Spannungsumlagerungen. Die optimale Ringschlusszeit hängt maßgeblich von der Zielsetzung ab (schneller Vortrieb, optimierte Spannungsumlagerung, minimale Setzungen, Kosten beim Tunnelausbau). Deformationen sind die Folge von Spannungsumlagerungen, es gibt bei aktiven Zonen örtliche Rissbildungen, teilweise sind sogar Verdrückungen möglich. Um die die Spritzbetonschale flexibel zu machen, werden nach der Verankerung mehrere bis zu 20 cm breite horizontale Fugen (Kontraktionsschlitze) sowie vertikale Spalte in die Wand geschnitten. Dennoch nimmt die Spritzbetonschale in Verbindung mit dem umgebenden Gebirgsteil ca. 70 % der ohne Fugen aufnehmbaren Kräfte auf. Alle Stützmittel zusammen bilden mit dem aktivierten Gebirgsring einen Verbundkörper, der eine große Verformbarkeit aufweist.
Wesentlich ist, dass beim Übergang vom primären (=Urzustand) zu einem sekundären (=Zustand nach dem Ausbruch) Spannungszustand die für die Bemessung des Ausbaus maßgebenden Spannungen abnehmen (Fenner-Pacher-Kurve). Die steife Innenschale muss im Idealfall keine Spannungen aufnehmen, da der Verbau mit dem Gebirgsdruck ein Gleichgewicht eingegangen ist. In der Praxis ist man dazu übergegangen, die Innenschale (Ausbau) zur Vermeidung von Auflockerungen als auch zur Erhöhung der Sicherheit kraftschlüssig an den Verbau anzuschließen (Isolierträger). Nach Fertigstellung des Bauwerks bildet sich der tertiäre Spannungszustand aus, je nach geologischer Aktivität ist ein Nachbeobachtungszeitraum von bis zu 50 Jahren relevant.
[Bearbeiten] Anwendungsgebiet
Die Spritzbetonbauweise kann auch zum Tunnelbau in Lockergestein eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind der U-Bahnbau in Wien, Frankfurt am Main und München. Durch Bodenverbesserung über Injektionen, die in weiterer Folge die Funktion von Mörtelankern übernehmen, wird ein Tragring um den ausgehobenen Hohlraum erzeugt. Eine Spritzbetonschale sowie notwendige Tunnelbögen werden direkt im Anschluss aufgebracht. Wichtig ist im urbanen Untertagebau eine Minimierung der Setzungen von bestehenden Fundierungen oder Bohrpfählen.
[Bearbeiten] Siehe auch
- Tunnel, Alter Elbtunnel, Neuer Elbtunnel, Eurotunnel, Warnowtunnel, Trägerbohlwand, Rohrschildtechnik, Bewehrte Erde
[Bearbeiten] Weblinks
- Die Geschichte der Spritzbetonbauweise, Teil I
- Die Geschichte der Spritzbetonbauweise, Teil II
- Die Geschichte der Spritzbetonbauweise, Teil III
- Die Geschichte der Spritzbetonbauweise, Teil IV
- Dokumentation der Ortsumgehung Hornberg, B33
- Buschtunnel Aachen-Ronheide: Deutschlands ältester noch befahrener Eisenbahntunnel bekommt eine zweite Röhre
- Gotthard-Basis-Tunnel, im Bau
- Vor der Hacke ist es dunkel - Artikel zu Innovationen im Tunnelbau auf dem Geowissenschaften-Portal planeterde
- Bilder von Eisenbahn-Tunnelportalen in Deutschland
- Tabelle aller deutschen Eisenbahn-Tunnel, sortiert nach verschiedenen Kriterien
- Historische Eisenbahntunnel in den Alpen
