To SEM or to NATM?

EINLEITUNG

Obzwar vor knapp 100 Jahren in Chicago erfunden setzt sich die Akzeptanz von Spritzbeton als primäres Sicherungsmittel im bergmännischen Hohlraumbau in den USA nur sehr zäh durch. Ist es die Angst vor Neuem, vor Verantwortung, das amerikanischen Rechtssystem mit seiner rigorosen Produkthaftung oder nur das Geld für die US Planungsfirmen und Baufirmen, die ihren Umsatz durch ökonomischere Produkte und Hinzuziehung von Experten mangels eigener Erfahrung geschmälert sehen?

Anfang der achtziger Jahre wurde die Neue Österreichische Tunnelbauweise (NATM) unter großem Widerstand zum ersten Mal in den Vereinigten Staaten von Amerika in Pittsburg, PA und in Waschington, D.C. zur Anwendung gebracht. Es dauerte bis zum Oktober 2000 wo anläßlich der Verleihung des begehrten Terzaghi Awards der American Society of Civil Engineers (ASCE) verkündet wurde, daß es nun möglich sei, die "unmachbaren", zuvor als undurchführbar bezeichneten Tunnelbauprojekte in Amerika unter Anwendung der Prinzipien der NATM in Angriff zu nehmen. War das der erste offizielle Schritt zur Anerkennung einer bislang in Nordamerika umstrittenen "neuen" Tunnelbauweise?

Anhand ausgewählter Projekte aus Boston, Waschington, D.C. und Seattle soll dargestellt werden, wie es in den letzten Jahren durch technisch herausragende Lösungen gelungen ist, Bauherrn, Planer und Baufirmen von Alternativen zu überzeugen, durch die Tunnelbauprojekte erst durchführbar wurden, oder die zu erheblichen Verbesserungen der vorgeschlagenen Entwürfe führten.

 

TUNNELBAU IN NORDAMERIKA

Die Notwendigkeit unterirdischer Transportsysteme vor allem in den stark wachsenden Großstädten wie Waschington, D.C., Boston, New York, Seattle, Los Angeles, San Francisco und Dallas wurde schon frühzeitig erkannt. Vorreiter, wie Boston, Chicago und New York errichteten die ersten U-Bahnnetze bereits vor mehr als 100 Jahren. Weitere Städte folgten vor allem in der zweiten Hälfte des letzten Jahrhunderts. Zu den Pionierleistungen des amerikanischen Tunnelbaus zählen vor allem der Lincoln und Holland Tunnel, die um 1930 errichteten Verbindungen zwischen Manhattan und New Jersey unter dem Hudson River. 

Die Bewältigung der nicht nur städtischen Verkehrsprobleme stellt auch in den USA eine technische Herausforderung dar, die mit den dort anerkannten Tunnelbaumethoden nur unter großem finanziellen Einsatz und erheblicher Beeinträchtigung des öffentlichen Lebens lösbar ist (z.B. "Big Dig" in Boston). Urbane Tunnel wurden und werden in den USA zum überwiegenden Teil in offener Bauweise oder maschinell mit Tunnelbohrmaschinen und Schilden hergestellt. Der händische Vortrieb kommt nur selten zur Anwendung, vor allem bei Tunnel mit kleinen Durchmessern, wobei Stützmaßnahmen und Ausbau aus Stahlbögen und Holzbohlen bzw. verschraubten Stahlblechelementen bestehen. 

 

NATM GOES AMERICA

Obwohl der Spritzbeton bereits 1912 in Amerika patentiert wurde, dauerte es bis in die späten achziger Jahre bis die "Spritzbetonbauweise" (NATM) auch im sensiblen Verkehrstunnelbau in den USA verwendet wurde. Das Projekt Baulos B10 in Waschington, D.C. z.B. wurde mittels eines Alternativangebotes der österreichischen Baufirma ILBAU zu einem technischen Erfolg und war dadurch ein Grundstein für die Anerkennung einer "fremden" Bauweise in dem Land der unbegrenzten Möglichkeiten. Trotz dieses Durchbruchs war in den darauffolgenden Jahren die Verbreitung der NATM von Skepsis und Ablehnung begleitet.

Unermüdliche Aufklärungs- und Überzeugungsarbeit  und die Bereitschaft zur Innovation einiger Bauherrn und Baufirmen ermöglichten schließlich die Durchführung weiterer Tunnelprojekte nach den Prinzipien der NATM, wie z.B. die Straßentunnel in Lehigh in Pennsylvania, Cuberland Gap und und die erste U-Bahnlinie in Dallas, Texas.

Die Vorteile der NATM wurden nicht nur beim Neubau, sondern auch bei der Renovierung und Aufweitung bestehender Tunnel erkannt. So wurde für den Berry Street Tunnel in Pittsburg, Pennsylvania in Gemeinschaft mit einer örtlichen Baufirma die Angebotsplanung durch eine alternative Lösung ersetzt, die die Baukosten der Renovierung des 710 m langen Tunnels um US$ 2 Millionen reduizierte (Garrett, 1997).

Abb.1: Berry Street Tunnel Aufweitung.

Abb.2: Fertige Innenschale.

Kritiker hielten der NATM vor, wegen ihres "observational" (Beobachtungs-) Charakters nicht für den amerikanischen Markt geeignet zu sein, da die vertraglichen und gesetzlichen Randbedingungen nicht mit den Prinzipien der NATM vereinbar sind und es an erfahrenem Personal mangelt. Der Erfolg mit den bereits ausgeführten Projekten widerlegte auch dies. Die Planung wurde flexibel gehalten und die Ausführung den lokalen Verhältnissen angepaßt. Lokale Arbeitskräfte wurden mit den Eigenschaften und der Verarbeitung des Spritzbetons sowie den Aushub- und Ausbausequenzen vertraut gemacht.  Ein weiteres Argument, daß jedoch meist von Nicht-Technikern oder von eingesessenen Vertretern der "Alten Schule" vorgebracht wird, ist das hohe Risikopotential zufolge eines möglichen Verbruches. Die Ereignisse um den Verbruch von Heathrow in London im Jahre 1994 werden in diesem Zusammenhang oft zitiert. Obwohl alle Untersuchungen zur Erkenntnis kamen, daß nicht die NATM sondern die Bauausführung und die mangelnde Qualitätskontrolle den Verbruch verursacht haben wird auch heute noch damit versucht die Bauweise zu mißkreditieren

Um dieser Diskussion aus dem Weg zu gehen jedoch auch aus chauvenistischen Motiven wird NATM daher oft mit anderen Synonymen, wie z.B. SEM (Sequential Excavation Method) belegt (Brierly, 198..), oder es wird NATM generell durch "mined tunneling" ersetzt.

Trotz Kritik ist die Verbreitung der NATM nicht aufzuhalten. Immer mehr Bauherrn und Planer erkennen die Vorteile dieser flexiblen Baumethode, die weder durch Geologie noch durch Querschnittsveränderungen begrenzt ist. Projekte können in Angriff genommen werden, die zuvor als unmachbar galten, oder nur mit großem Aufwand durchführbar waren.

Anhand von vier Projekten wird der Überzeugungsprozess gezeigt, wie mit Alternativentwürfen Bauherrn und Baufirmen zu technisch interessanten Lösungen geführt werden konnten.

 

BODENVEREISUNG IN BOSTON

Die Planung einer unterirdischen Buslinie unter dem "Russia Wharf", ein unter Denkmalschutz stehender Hafengebäudekomplex in Boston, Massachusetts, sah einen ganzen oder teilweisen Abriß desselben vor, um den Tunnel darunter in offener Bauweise zu  errichten. Das ca. 120 Jahre alte Gebäude ist auf Holzpfählen gegründet, die im ehemaligen Hafen in der wassergesättigten künstlichen Aufschüttung, in darunterliegenden organischen Ablagerungen und Lehm, und im "Boston Blue Clay" hauptsächlich auf Reibung tragen. Die Pfahlköpfe bestehen aus aneinandergeschlichteten Granitblöcken, welche die Gebäudesäulenlasten aufnehmen und auf die ca. 32 Holzpfähle pro Pfahlkopf abtragen (Fortner, 1999).

Abb.3:  Russia Wharf, Boston, MA.

Abb.4:   Grundriss.

Um die historische Bausubstanz zu erhalten wurde überlegt, welche Optionen zur offenen Bauweise bestehen, wobei festzuhalten ist, daß der Abstand der Tunnelkrone von der Pfahlkopfunterkannte des siebenstöckigen Gebäudes nur zwischen 1.8 m und 4.2 m beträgt! Eine von DSC vorgelegte Machbarkeitsstudie führte zu dem Ergebnis, daß NATM in Kombination mit Vereisung eine Alternative darstellt. Der Querschnitt, der zwei Richtungsfahrbahnen unterbringt (inbound und outbound) kann entweder als ein Querschnitt, oder als zwei getrennte, sich überschneidende Querschnitte hergestellt werden.

Nach einem Besuch von Bauherr und Generalplaner in Deutschland, Österreich, der Schweiz und England bei dem in ähnlichen Bodenverhältnissen NATM und teilweise Bodengefrierverfahren zur Anwendung kamen, wurde diese Variante genehmigt. Während der Planung wurde vor allem der Lastabtragung der Pfähle in die Spritzbetonschale große Aufmerksamkeit geschenkt, da das Ziegelgebäude bereits von anderen Bauvorhaben in der Umgebung durch Risse beeinträchtigt ist. Dreidimensionale finite Elemente Berechnungen wurden durchgeführt, um das Zusammenwirken des Gefrierens, des Kalotten / Strossenvortriebs der sich überschneidenden Tunnelröhren, des Auftauens und die dadurch aktivierten Gebäudeauflasten zu modellieren (Gall, et al, 2000).

Zur Minimierung der Hebungen durch das Frieren, das mit vertikalen Gefrierrohren durchgeführt wird, werden Entlastungsdrainagen eingebaut. Zur Kompensierung sowohl der Hebungen als auch der Setzungen, hervorgerufen durch das Auftauen des Bodens, der Spannungsumlagerung nach dem Ausbruch, Einbau der Tunnelschalen und Lastübertragung der Holzpfähle in die Spritzbetonschale wurden hyraulische Pressen bei allen Gebäudesäulen im Einflußbereich des Tunnelbauwerks vorgesehen. Ein geodätisches Kontrollsystem, das nicht nur vertikale und horizontale Bewegungen sondern auch Vibrationen des Gebäudes erfaßt soll die erforderliche Maßnahmen steuern und gewährleistet den ungestörten Betrieb des Bürohauses.

Der NATM Vortieb im vereisten Boden wird im Mai 2001 beginnen. Zur Zeit sind Vorarbeiten, zu denen die Unterfangungen und die Installation der Gefrieranlage sowie des Gefrierkreislaufes zählen, im Gange. Für den ca. 140 m langen Tunnelabschnitt ist eine Bauzeit von 12 Monaten vorgesehen.

Abb. 5:  Aushubsequenzen.

 

BAHNHOFSUNTERQUERUNG-NORTH STATION, BOSTON

Im Zuge des "Central Artery Projektes" in Boston, Massachusetts, einem der größten Bauvorhaben in der Geschichte Amerikas mit Projektkosten von derzeit ca. US$ 14 Milliarden gibt es einen Bauabschnitt, der zwei Straßentunnelröhren unter dem Nordbahnhof beinhaltet, die der Verbindung der Autobahn I-95 mit dem Verteilerknoten Leverett Circle dienen. Der sehr weiche Untergrund, der aus wassergesättigter Aufschüttung, Feinsanden, Schluffen und Lehm besteht, kombiniert mit den Betriebserfordernissen der Eisenbahn und des Personenbahnhofes stellen sehr schwierige Randbedingungen für den Bau der Tunnelröhren dar. Die Entscheidung von AMTRAK, der Eisenbahnbetriberfirma, und der MBTA, dem Bahnhofsbesitzer, den Bahnhof für nicht länger als 12 Monate für die Bauarbeiten zur Verfügung zu stellen, und nicht mehr als zwei Gleise auf einmal außer Betrieb zu nehmen, machte eine Umplanung des weitgehend fertggestellten Projektes erforderlich. Die vorgeschlagene Schlitzwandbauweise konnte diese Randbedingungen nicht erfüllen. Vor allem die Konstruktion der Schlitzwand im Bahnhofsbereich und die Linienführung, mit weniger als einem Meter Überlagerung unter aktiven Gleisen an der ungünstigsten Stelle  stellten beinahe unüberwindbare Hindernisse dar.

In einer von DSC durchgeführten Machbarkeitsstudie wurde die Verwendung der "Doorframe Slab Method" (Türstockdeckelbauweise) untersucht, die eine nur sehr kurzfristige Öffnung des Baugrundes bis zur Tunnelkalotte zum Einbau einer bewehrten Betonplatte erfordert. Nach maximal einer Woche kann jeder dieser geöffneten Teilabschnitte wieder verfüllt und die Gleise wieder in Betrieb genommen werden. Diese Methode ist besonders bei wenig Überlagerung von großem Vorteil (Fortner, 1998, Negro, 1998). Der Vortrieb des Tunnels erfolgt anschließend im Schutz der Stahlbetondecke ausschließlich unterirdisch.

Abb. 6:  Tunnelquerschnitt mit "Doorframe Slab Method".

Abb. 7:  Einbau der "Doorframe Slab".

Die Bodenerkundungen waren hier wie auch in den meisten anderen Fällen nicht auf einen bergmännischen Vortrieb ausgelegt. Wichtige Parameter fehlten für die Untersuchung, die durch Vergleiche mit Nachbarbaulosen und Berichten von früheren Bautätigkeiten im Stationsbereich nur ungenau hergeleitet werden konnten. Zusatzbohrungen oder Labortests waren wegen der extrem kurzen Planungsphase nicht möglich. Trotzdem erwies sich die "Doorframe Slab Method" für beide Tunnelabschnitte am besten geeignet. Wasserhaltung wurde mittels Hochdruckinjektionspfahlwänden auf beiden Seiten der Tunnel und mit Querwänden bis in die Tiefe der undurchlässigen Lehmschicht, die das sogenannte "Badewannensystem" bildeten, vorgesehen. Die Entwässerung sollte vorauseilend mittels vertikalen und horizontalen Entwässerungslanzen erfolgen. Als Vortriebskonzept waurde ein Kalotten/Strossenvortieb mit kurzer Ringschlußzeit als ausreichend erachtet. Die Standsicherheit wurde auch unter Vollbetrieb der Station mit finiten Elementen Berechnungen nachgewiesen.

Diese fertiggestellte Variantenplanung hat dem Bauherrn MHD (Massachusetts Highway Department) somit die Einhaltung aller auferlegten Rahmenbedingungen ermöglicht und war auch in der Bauzerit der Top-Down Variante der Schlitzbetonbauweise überlegen.

 

OFFENE BAUWEISE vs NATM

Am Dulles International Airport in Waschington, D.C. soll ein Fußgängertunnel (Walkback Tunnel) zwischen dem Hauptterminal und dem Mid-Field Terminal die derzeitigen Verbindungsshuttles oder Mobile Launges (eine Art Riesenbussystem) ersetzen. Der Vorentwurf für dieses Projekt sah einen Tunnel in offener Bauweise vor, der Taxiways, also aktive Rollfelder kreuzen und dadurch für die gesamte Baudauer beeinträchtigen sollte. Um diese Störung des Bodenflugverkehrs zu vermeiden wurde als Alternative der Vortrieb mit NATM vorgeschlagen. Obwohl die Flughafenbehörde zunächst sehr abweisend war und sich auf  Mehrkosten und Risiko zu stützen versuchte, konnte mittels detailierter Analyse nachgewiesen werden, daß die Kosten des bergmännischen Vortriebs der offenen Bauweise  die Waage halten, und bei Einhaltung der Qualitätserfordernisse sich auch das Risiko gleicht. Der Baukostenvergleich wurde durch das Zuschlagsangebot der ausführenden Baufirma bestätigt.

Abb. 8.:  Grundriß und Längenschnitt des Walkback Tunnels in Washington, Dulles.

Die Herausforderung dieses Projektes war es, trotz der relativ geringen Überlagerung von ca. 4.5 m und des relativ großen Querschnittes mit 12.5 m Ausbruchsbreite bei den wechselnden Bodenverhältnissen alle notwendigen Stützmaßnahmen vom Tunnel aus einbauen zu können und so die Stabilität der Spritzbetonschale zu sichern. Die Geologie unter dem Rollfeld besteht aus künstlicher Aufschüttung, Sanden, Kies, verwittertem Fels und unverwittertem Fels, wobei die Felslinie bis etwa in der Mitte des Tunnelquerschnittes absinken kann. Der Ausbruch erfolgt in Kalotten/Strossenvortrieb, wobei die Kalotte geteilt vorgetrieben wird.

Abb. 9: Querschnitt des Walkback Tunnels.

Abb. 10: Zugangsportal.

 

EIN NEUES SYSTEM ENTSTEHT

Im nördlichsten Teil der Westküste Nordamerikas liegt die Stadt Seattle, die sich bereits seit den siebziger Jahren mit der Errichtung eines 38.4 km langen öffentlichen Verkehrssystems als Nord-Südverbindung und als Anschluß and den südlich liegenden Flughafen befaßt.  Die Topographie ist jener von San Franzisco ähnlich. Im Stadtbereich ist die Errichtung einer Tunnelstrecke mit einer Gesamtlänge von 7.2 km geplant, die fünf Stationen enthällt.

Dem neuen amerikanischen Trend folgend soll als Vertragsgrundlage "Design-Build" zur Anwendung kommen. Nach dem großen Erfolg in Dallas, TX soll auch Seattle's großes Infrastrukturprojekt daran partizipieren. Dabei werden sowohl die Planungs- als auch die Bauleistungen an ein Konsortium als alleinigen Auftragnehmer vergeben. Man erhofft sich dadurch vor allem eine Bauzeitverkürzung, die durch bessere interne Koordination sowie Überschneiden von Planung und Ausführung entstehen soll. Auch finanziell erhofft man sich Einsparung durch bessere Nutzung von Synergieeffekten.

Durch die Verwendung der NATM bzw. SEM wurde es möglich die Schächte und vor allem die unterirdischen Stationen, die bis zu 80 m unter der Oberfläche liegen ökonomisch herzustellen. Die Geologie besteht hauptsächlich aus überkonsolidierten glacialen Sedimenten mit gelegentlichem Wassereinschluß.

Abb. 11:  Vorschlag für den Grundriß der Beacon Hill Station.

 

ZUSAMMENFASSUNG

Der in den USA zu Beginn der 20. Jahrhunderts erfundene Spritzbeton wurde ihnen von uns in den 80er Jahren für den Tunnelbau wieder zurückgebracht. Die Anwendung der NATM bzw. SEM für unterirdische Bauwerke vor allem im städtischen Bereich, in sich ändernden Bodenverhältnissen nicht nur in Tunnel- sondern auch in Stationsbauwerken, Kavernen, Schächte, Verbindungstunnel und Aufweitungen hat auch in den USA viel Flexibilität und Kosteneinsparungen gebracht. Durch einen inzwischen entwickelten breiten Fächer von zusätzlichen Baugrundverbesserungsmaßnahmen ist es heute möglich in beinahe allen Untergrundverhältnissen ökonomisch bergmännisch vorzutreiben. Voraussetzung bleibt eine verantwortungsvolle, detaillierten Planung und eine zuverlässige Baufirma kontrolliert von erfahrener Bauüberwachung vor ort (Terzaghi, 1958). 

Neuen Entwicklungen aufgeschlossene, informierte Bauherrn sowie innovative Unternehmer waren und sind noch immer die Grundvoraussetzung für die Anwendung der NATM, trotzdem die Schar der "Prinzipkritiker" immer kleiner wird. Argumente, wie Kosten, Bauzeit oder Beeinträchtigung an der Oberfläche treten daher in den Vordergrund. Das immer wieder zitierte Risikopotential der NATM verliert an Boden. Nicht umsonst hat sich die weder neue noch österreichische Tunnelbaumethode NATM inzwischen weltweit zur anpassungsfähigsten Vortriebsart zu ökonomischen Kosten entwickelt.

 

LITERATURVERZEICHNISS

Brandl, H., 1980, The Influence of Mineral Composition on Frost Susceptibility of Soils, Proceedings of the 2nd International Symposium on Ground Freezing, The Norwegian Institute of Technology

Brandl, H., 1983, Improvement of Cohesionless Soils, Proceedings of the Eighth European Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering, Helsinki

Brandl, H., 2000, Ground Support – Reinforcement, Composite Structures, Keynote contribution.International Millenium Conference GeoEng 2000 (ISSMGE, ISRM, IGS, IAEG, ITA, ICOLD, IAHR, IAH), Melbourne, 2000

Deix, F., Braun, B. 1988. Vienna Subway Construction - use of brine freezing in combination with shotcrete support method under compressed air.  Proceedings of the 5th Int. Symposium on Ground Freezing, Jones&Holder (eds), Balkema, p.321 - 330

Fortner, B. Through Frozen Ground. Civil Engineering. March 1999, pp. 34-39

Fortner, B., 1988, New Method opens door to easier tunneling, Civil Engineering, March 1999, Vol. 68
Gall, V., Urschitz, G., Zeidler, K., 2000, Frozen Ground for Building Support - Implementation of Innovative Engineering Concepts for Tunneling at Russia Wharf, Proceedings for North American Tunneling 2000 (NAT 2000)

Gall, V., Zeidler, K., Predis, T., Walter, J., 1998, Rehabilitation Concepts for brick lined tunnels in urban areas, Proceedings, World Tunneling Congress 1998 on Tunnels and Metropolises, São Paulo, Brazil, p. 539-546

Garrett, R., 1997, Pittsburgh Berry Street Rebuild, North American Tunneling, June 1997

Gnilsen, R., Rhodes, G., 1986, Innovative use of Geosynthetics to construct Watertight Washington, D.C. Subway Tunnels, Geotechnical Fabrics Report, Vol. 4, No. 4, IFAI, St. Paul, MN

Heflin, L., 1985, WMATA's Use Of The New Austrian Tunneling Method For Lining And Support, Proceedings, Rapid Excavation and Tunneling Conference, Vol.1, AIME, New York

Liebsch, H., 1994, Gibt es eine NÖT - On the Existance of the NATM?, Tunnel 2/94

Mair, R., 1994, Compensation Grouting, World Tunneling 11/94

Munfah, N.A., Zlatanic, S., 1998, Design Considerationsof a turnkey contract for an underground LRT system, Proceedings, World Tunneling Congress 1998 on Tunnels and Metropolises, São Paulo, Brazil, p. 129-134

Negro, A.Jr., 1998, Brasilia Metro Undergriund, ASCE Convention, Boston, MA, USA

Jessberger, H. L. 1982. A State-of-the-Art Report.  Ground Freezing: Mechanical Properties, Processes and Design, In Ground Freezing 1980: Developments in Geotechnical Engineering. ed. P.E. Frivik, N. Janbu, R. Saetersdal, and L.I. Finboru, Amsterdam: Elsevier

Sauer, G. 1990, Design Concepts for large underground openings in soft ground using the NATM, Proceedings Vol. 1 International Symposium on Unique Underground Structures '90, Denver, Colorado, USA, Chapter 1, p. 1-20

Rabcewicz, L., 1964, The New Austrian Tunneling Method, Water Power 11/94

Rabcewicz, L., Golser, J., 1973, Principles of dimensioning the supporting system for the "New Austrian Tunneling Method", Water Power March 1973

Sauer, G., 1998, Shallow tunneling in urban areas, Urban Geotechnology and Rehabilitation Seminar sponsored by ASCE, New York, p. 130-141

Terzaghi, K., 1958, Consultants, Clients and Contractors, BSCE Journal 1/1958 (reprinted at Civil Engineering Practice Fall/Winter 1998), Boston, MA, USA, p. 46-54

Vavrovsky, G., Ayaydin, N., 1988, Bedeutung der vortriebsorientierten Auswertung geotechnischer Messungen im oberflächennahen Tunnelbau, Forschung + Praxis, Band 32

Zeidler, K., Gall, V., 1999, Shotcrete lining design concepts for new and rehabilitated tunnels, Proceedings, United Engineering Foundation Conference, 1999 Shotcrete for Underground Support, São Paulo, Brazil.