Grosse Querschnitte in nicht standfestem Gebirge

EINLEITUNG

Mit der enormen Zunahme der Erdbevölkerurtg in den letzten Jahrzehnten steigt gleichermassen der Bedarf an unterirdischem Verkehrs- und Speicherraum. Waren die ursprünglichen Lichtraumprofile sowohl im Bergbau als auch im Wasser- und später im Eisenbahnbau noch bescheiden in Grössenordnungen von wenigen Zehnern m², so steigen die Querschnittsflächen für Strassen- und Eisenbahntunnels heute auf über 100 m² und auf weit über 1000 m²  für gedrungene Untertagehohlräume an. Eine Ausnahme bei langgestreckten Verkehrsbauten bilden die etwa 100 Kanaltunnel (Ketschmer, Flieger 1977) mit Querschnittsflächen bis zu mehreren 100 m2.
Hat man sich früher, wie im Talsperrenbau, noch guten Baugrund aussuchen konnen, so ist man heute gezwungen, auch schwierige, grosse Bauwerke in teilweise sehr schlechtem Gebirge mit einem grossen Aufwand technischer Hilfsmassnahmen oder/und guten bautechnischen Einfällen herzustellen.

1. WOZU BRAUCHT MAN GROSSE QUERSCHNITTE?

Einen kleinen unvollständigen Uberblick soil die nachstehende Tabelle (Abb. 1) vermitteln. Die unterirdischen Hohlräume lassen sich in zwei Gruppen (mit fliessenden Grenzen) unterteilen.

Langgestreckte Hohlräume und die ihnen zuzugliedernden Verzweigungen, Abzweigungen, unterirdischen Abstellräume und Bahnhöfe zeigen in den letzten jahren eine deutliche Tendenz zu Querschnittsvergrösserungen von zweispurigen Verkehrsräumen zur drei- und vierspurigen Linienführung nebenoder übereinander (Abb. 2).

Abb. 2: Querschnittsentwicklung von 2- zu 4-spurigen Verkehrsraeumen.

Die darin notwendigen Abstellnischen und Urnkehrnischen (Abb. 3) weiten diese Regelquerschnitte noch erheblich auf. Trotz gedrungener Form werden hier je nach Gebirgsgüteklasse Zusatzmagnahmen wie Langanker, Stahlbögen, u. U. auch gebirgsverfestigende Massnahmen, notwendig; Verzweigungen und Abzweigungen bringen neben den grossen Querschnittsflächen auch Stabilitätsprobleme für die Mittelwand mit sich (Sauer 1976).

Abb. 3: Umkehrnische "Klammtunnel-B167",  Österreich, im standfesten Kalk.

Gedrungene, grosse Hohlräume erfordern gerade in der Auffahrtechnik besondere Uberlegungen. Nicht minder problematisch ist die Sicherung und Auskleidung.
Gegenwärtig wird in den Industriezweigen ,Energieproduktion", ,,Lagerund Vorratswirtschaft", aber auch in der militärischen Vorrats- und Schutzraumbeschaffung, das Interesse am Bau unterirdischer Grossräume immer stärker (Rock Store 1977).

2. WIE FÄHRT MAN DERARTIGE qUERSCHNITTE IN SCHLECHTEM GEBIRGE AUF?

Die Bewältigung solcher Vortriebsaufgaben erfolgt im Längs- und Querschnitt nach verschiedenen Gesichtspunkten. Einer davon ist eine optimale Anpassung an geometrische und gebirgstechnische Voraussetzungen; dies sind z. B.

• Gebirgseigenschaften und Wasserandrang,
• Hohlraumgeometrie,
• Randbedingungen, wie Oberflächennahe, Bebauung, Bauwirtschaft, Rechts- und Eigentumsverhältnisse und viele andere.

Da jeder dieser einzelnen Faktoren wieder aus einer grossen Zahl von Einzelpunkten besteht, lassen sich eine Unzahl von Kombinationen finden, die im Anwendungsfall individuell beurteilt werden müssen. Trotzdem haben sich für grosse Querschnitte im schlechten Gebirge einige grundlegende Verfahren herauskristallisiert, die ausgewählt und nach Bedarf auch mit Zusatzmagnahmen angewendet werden.
Ein weiterer Gesichtspunkt ist jedoch die Beriicksichtigung verschiedener tunnelbautechnischer Auffassungen oder Schulen. Neben den hiermit verbundenen Kosten tritt dabei das Einschulungsproblem des Gebirges auf die jeweilige ,Schule" auf.

Abb.4: Verschiedene Auffahrweisen im Längs- und Querschnitt.

Die prinzipiellen Unterschiede der Auffahrung von Hohlräumen sind im Längs- und Querschnitt (Abb. 4) dargestellt. Dieser Überblick stellt nur eine schwerpunktmässige Beleuchtung der gebräuchlichen Verfahren dar; Kombination untereinander oder mit weiteren Auffahrtechniken sind möglich und werden angewandt. Einige wesentliche Vor- und Nachteile der in Abb. 4 gezeigten Auffahrweisen sollen im Anschluss angesprochen werden. Eine ausführlichere Darstellung für die momentan gebräuchlichen Bauweisen ist im Felsbau III (L. Müller-Salzburg 1978) zu sehen.

2.1 Weit vorlaufende Kalotte, später Sohlschluss
 (Sohlschluss (SS) nach 1,5 0 hinter Kalottenbrust)

Vorteil: Mit allen herkörnmlichen Maschinengrössen bei gutem Arbeitsfortschritt zu bewältigen.

Nachteil: Nur in relativ gutem Gebirge ohne kostenintensive Zusatzmassnahmen möglich.
In druckhaftem Gebirge werden Langanker, verstärkte Spritzbetonund Stahleinbauten sowie Kalottenfusssicherungen erforderlich. Im allgemeinen grosse Konvergenzen bzw. unregelmässiges Überprofil durch Induzieren von Scherflächen im Kämpferbereich (Kerbwirkung).

2.2 Vollquerschnitt mit schnellem Sohlschluss
(SS innerhalb 1,5 0 hinter Kalottenbrust)

Vorteil: Geringe Konvergenzen, geringe Gebirgsauflockerung, regelmässigeres Profil, häufig geringere Sicherungskosten (Anker, Spritzbeton, Stahlbögen).
Auch in schlechtem Gebirge ohne umfangreiche Zusatzmassnahmen anwendbar.

Nachteil: Grosse Vortriebsmaschinen erforderlich, Ortsbrust muss entweder standfest sein oder sie muss ausgerundet und abgetreppt werden. Erzielbarer Arbeitsfortschritt durch laufenden Sohlschluss meist etwas geringer als beim Kalottenvortrieb.

2.3 Vortrieb mit First-, Sohl- oder Ulmenstollen

Vorteil: Auch noch bei sehr druckhaftem Gebirge ohne besondere Zusatzmassnahmen möglich. Nachbruchgefahr überschaubar, da der grosse Querschnitt in in sich geschlossene, kleine Querschnitte aufgelöst wird und damit kontrollierbar bleibt. Optimaler Gebirgsaufschluss, Vorentwässerungsmöglichkeit von Vorbehandlungen (Gebirgsvergütung), Längsbewehrung, eventuell Lüftungs- und Transporterleichterungen.

Nachteil: Relativ langsamer Arbeitsfortschritt, Teile der Einbauschalen von den Einzelvortrieben sind verloren. Oft sind besonders kleine Vortriebsmaschinen erforderlich.

2.4 Sonderbauweisen
Hierzu gehören alle Verfahren und Zusatzmassnahmen vom Druckluftvortrieb, Hydroschild über Injektionen, Gefrierverfahren bis hin zur Rohrschirmdecke, Spund- und Bohrpfahlwänden usw.; Verfahren, die über den bergmännischen Vortrieb und dessen Sicherung hinausgehen.

Vorteil: Als Zusatzverfahren und begleitende Massnahmen überall anwendbar.

Nachteil: I. A. hohe Kosten sowie Vortriebsverzögerung bis zu längeren Stillstandszeiten. Häufig sind erst spezielle Baustelleneinrichtungen erforderlich.

3. EINIGE PRAKTISCHE BEISPIELE

3.1 Beispiel 1
In jüngster Zeit musste durch eine Quarzmylonitzone ein Tunnel mit einer Querschnittsfläche von knapp 100 m² (10-25 m Überlagerung) aufgefahren werden. Dieser Quarz-Mylonit kann als beinahe Einkornmaterial im mittleren Schluffbereich bezeichnet werden. Etwa 80% der Körnung liegt im 0,02- bis 0,07-mm-Bereich (Abb. 5). Durch die Eigenfeuchtigkeit konnte über die scheinbare Kohäsion eine kurze Standzeit ausgenützt werden.

Abb. 5: Geologischer Längsschnitt entlang eines 2-spurigen Autotunnels mit einer Quarz-Myolitzone (Ganzsteintunnel).

Erster Versuch
Nach einem ersten Versuch mit einem Kalottenvortrieb dieses Gebirge zu beherrschen, mussten aufgrund der grossen Deformationen und starken Nachbruchneigung sehr bald Zusatzeinbauten in der Kalotte (Zwischensohle, Holzpölzungen) eingebaut werden (Abb. 6).
Ein mit grossen Niederschlägen verbundener Herbst brachte eine starke Durchfeuchtung des Gebirges mit sich. Nach einer Stillstandzeit (Weihnachtsferien) von etwa 2 Wochen brach beim Öffnen der Ortsbrust der gesamte vordere Bereich breiartig in den Hohlraum herein. Der Einbruchtrichter setzte sich bis an die Oberfläche fort.

Abb. 6: Holzpölzung in einem Kalottenvortrieb bei drückendem Gebirge.

Sanierung der Verbruchstrecke
Der Vortrieb wurde daraufhin eingestellt und es wurden Sanierungsmassnahmen überlegt. Sie reichten von Vereisungsvorschlägen über Bohrpfahlwände, Injektionen, Vorpfändung, his hin zur Rohrschirmdecke. Ausgewählt wurde aufgrund verschiedener Uberlegungen eine Kombination aus heidseitig angeordneten Bohrpfahlwänden mit einer Injektionsdecke über dem Tunnel.
Die Durchörrerung der Sanierungsstrecke verlief problemlos; fur das weitere Vorgehen wurde ein Ulmenstollenvortrieh gewählt.

Weiterer Vortrieb
Mittels zweier asynchron vorzutreibender Ulmenstollen (die Mittelwanddicke betrug weniger als 0,7D - Sauer 1976) wurden alle Vorteile eines Teilvortriebes nach Punkt 2.3 ausgenutzt (Abb. 7). Aus der Erfahrung des bisherigen Vortriebsgeschehens wurde ein Durchlaufbetrieb eingeführt, so dass jede angeschnittene Gebirgsfläche nach spätestens 7 Stunden wieder angeschnitten werden konnte.
Der Ulmenvortrieb funktionierte klaglos, ebenso die anschliessende Aufweitung zum vollen Querschnitt. Nach einer leichten Gebirgsverbesserung - man erreichte mürbe Phyllite und Serizitschiefer - wurde auf Vollvortrieb umgestellt, der wegen mangelnder Standfestigkeit der Ortsbrust in zwei Stufen abgetreppt wurde.
Es zeigte sich, dass die Sohlschlussdistanz (Entfernung zwischen Ortsbrust und wirksamem Sohlschluss) einen direkten Einfluss auf die sichtbaren Druckerscheinungen in der Spritzbetonschale sowie vor allem auf die Firstsenkungen (Überprofil) hatte. Blieb der Sohlschluss innerhalb 1,5 D, konnten die Firstsenkungen und auch die Druckerscheinungen in der Spritzbetonschale in minimalen Grenzen gehalten werden.

Abb. 7: Ulmenstollenvortrieb mit nachfolgender Aufweitung.

3.2 Beispiel 2
Das nächste Beispiel stammt von einem Autobahntunnel, der dreispurig (Hohlraumbreite etwa 13 m) durch eine Hangschutt-Moränenmasse auf eine Länge von etwa 700 m durchzutreiben war. Die Querschnittsfläche betrug hier über 100 m², die Firstüberlagerung zwischen 5 und 20 m.
 
Erster Versuch
Ausschreibungsgemäss wurde die Strecke mit dem talseitigen Ulmenstollen begonnen (Abb. 8). Nach etwa 150 m wurde die Uberdeckung so gering, dass Einbrüche in der Firste trotz kohäsiver Materialeigenschaften nicht mehr hintan gehalten werden konnten.

Weiterer Vortrieb
Aufgrund des relativ hohen Reibungswinkels, verbunden mit einer geringen Kohäsion, konnte auf ein unkonventionelles Vortriebsverfahren umgestellt werden:
Die Gebirgslaibung wurde soweit als möglich in üblicher Weise gesichert, wobei jedoch Nachbrüche aus der Firste (Tagbrüche) wegen fehlender Gewölbewirkung bewusst in Kauf genommen und mit dem Verbau (eingespritzte Tunnelbögen) überbrückt wurden. Dieses von der Fa. Oberranzmeyer vorgeschlagene Vortriebskonzept wurde mit gross em Erfolg durchexerziert. In einem späteren Arbeitsgang wurden die von aussen teilweise sichtbare Spritzbetonschale mit Ortbeton versteift und die Einbruchkrater wieder zugeschüttet.

3.3 Beispiel 3
In einem steifplastischen Tonboden mit eingelagerten Hydrobiensandschichten, vereinzelt auch eingelagerten Kalkbänken (Abb. 10), waren sowohl ein U-Bahn- als auch ein S-Bahn-Tunnel sowie eine Abzweigstrecke herzustellen.

Abb. 10: Typische Untergrundverhältnisse in Frankfurt (Main).

Der untere eiförmige Abzweigquerschnitt hatte bis zu 13,5 m Hohlraumbreite (Ausbruchsfläche etwa 100 m²); der links oben mit einer Fleischdicke von 2 m getrennte U-Bahn-Querschnitt betrug etwa 36 m² (Abb. 11). Die Überlagerung bestand aus etwa 10 m genannten Tonboden und darüber lagern etwa 8-10 m Aufschüttung. Wegen der gering zu haltenden Oberflächensenkung war auf kurzen und raschen Sohlschluss Bedacht zu nehmen.

Vorschlag 1
Vortrieb der unteren Aufweitungsstrecke mittels einer Ulmenröhre und späterer Aufweitung zum Gesamtquerschnitt, danach Vortrieb der oberen Röhre.

Vorschlag 2
Etagenvortrieb im Vollprofil (Abb. 12), wobei die Kalotte der Strosse bzw. Sohle um max. 8 m vorauseilen durfte. Eine kleine Vortriebsmaschine war in der Kalotte zu stationieren. Ein weiteres Vortriebsgerät war für den Strossen- und Sohlausbruch vorgesehen.
Bemerkung: Infolge der baufälligen Überbauung (Bombenschäden) wurde das gesamte Gelände jedoch vor Vortriebsbeginn baupolizeilich geräumt und abgerissen. Wegen der damit verbundenen Verzögerung wird diese Strecke jetzt in offener Bauweise hergestellt.

3.4 Beispiel 4
Durch eine Hanglehne aus Klammkalk und Kalkschiefer (Abb. 13) mit einzelnen Grünphyllitzonen musste ein 4-bahniger Strassentunnel mit 175 m² Querschnitt aufgefahren werden (Pacher, Heller 1977).

Abb. 13: Geologischer Schnitt durch den "Gigerach-Tunnel", Österreich.

Aus morphologischen und felsmechanischen Gründen wurde eine doppelstöckige Lösung (Abb. 14) gewählt. Vortriebstechnische Schwierigkeiten wurden in den Grünphyllitzonen wegen ihrer bekannten Druckhaftigkeit erwartet.

Vortrieb
Es wurde ein durchgehender Kalottenvortrieb gewählt. Danach sollten zwei Strossen geteilt, aber durchgehend und anschliessend die Sohle aufgefahren werden. Die schwierigen Grünphyllitzonen sowie auch die Voreinschnitte wurden zwecks Gebirgsschonung mit einer Teilschnittfräse aufgefahren. Der Vortrieb wurde messtechnisch laufend überwacht und verlief reibungslos.

4. SCHLUSSBETRACHTUNG

Diese kleine Auswahl an erfolgreich aufgefahrenen bzw. kurz vor der Durchführung stehenden (gestandenen) Bauwerken, zeigt den zunehmenden Mut aller Beteiligten (Bauherr, Projektant, Firma) zu neuen Lösungen, die teilweise erhebliche wirtschaftliche Vorteile mit sich bringen.

Abb. 14: Regelquerschnitt mit Ausbruchsphasen für einen doppelstöckigen 4-bahnigen Autobahntunnel.

Weitere Beispiele fur Auffahrungen komplizierter Querschnitte unter schwierigen Bedingungen nach der NÖT finden sich u. a. bei Bauernfeind et al. 1978, Laue et al.1978.
Dieser Fortschritt in der Technologie der Auffahrtechnik mit der NÖT ist jedoch nur mit Fachleuten möglich gewesen, die mit dieser Bauweise vertraut sind und immer wieder auf strikte Einhaltung folgender wesentlicher Fakten geachtet haben:

• Erfahrung aus vergangenen Bauwerken,
• wissenschaftliche Untermauerung durchgeführter Projekte,
• darauf aufbauend Verallgemeinerung und Übertragung auf neue Projekte, laufende Kontrolle der angenommenen Deformations- und Spannungsgrössen durch minuziös durchgeführte in-situ-Deformations- und Spannungsmessungen.

Fundament aller Innovationen bei neuen Projekten ist jedoch die technische Aufgeschlossenheit und Zusammenarbeit der drei Eckpunkte jedes Projektes:

Bauherr,
Projektant,
ausführende Firma.

Zeigt einer der Partner kein Interesse, technisches Unverständnis oder mangelnden Mut zur Verantwortung, so wirkt sich dies im allgemeinen fortschritthemmend und für das jeweilige Projekt sehr oft erhöhend auf die Gesamtbaukosten aus.

LITERATUR

Bauernfeind, P., Müller, F., Müller-Salzburg, L.: Tunnelbau unter historischen Gebäuden in Nurnberg. Rock Mechanics, Suppl. 6, 161-191. Wien, New York: Springer 1978.

Kretschmer, M., Fliegner, E.: Untertunnelung in Seehäfen und von Seeschiffahrtsstrassen unter besonderer Beriicksichtigung internationaler Bauausführung. Jahrbuch d. Hafenbautechn. Gesellschaft, Bd. 35, 1975/76.

Laue, G., Müller-Salzburg, L., Will, M.: Die bergmännische Auffahrung von U-Bahnhöfen unter geringer Uberdeckung. Rock Mechanics 11, 107-121 (1978).M ü l l er-Salzburg, L.: Der Felsbau. Bd. III: Tunnelbau. Stuttgart: Ferd. Enke Verlag 1978.

Pacher, F., Heller, G.: Die Projektierung der Tunnelkette Lend-Gastein. Sonderdruck des Amtes der Salzburger Landesregierung, U-Abteilung Strassenbau, 1977.

Sauer, G.: Spannungsurnlagerung und Oberflächensenkung beim Vortrieb von Tunneln mit geringer Uberdeckung unter besonderer Berücksichtigung der Mittelwandbelastung beim synchronen und asynchronen Doppelröhrenvortrieb. Veroffentlichung des Institutes für Bodenmechanik und Felsmechanik, Univ. Karlsruhe, Heft 67, 1976.

Rock Store 77: Proceedings of R. S. 77. Stockholm/Schweden, Sept. 1977.