Tunnelbau

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Bild:München Marienplatz Tunnelerweiterung.jpg Der Tunnelbau macht sich vielfach die Jahrtausende alten Erkenntnise des Bergbaus zu Nutze. Dabei wurden Stollen vorgetrieben, die mit Stempel und Verbau gesichert wurden. Später kamen Techniken aus dem Bau von Tonnengewölben hinzu.

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.

Zum Tunnelbau finden als Tunnelbaumaschinen Verwendung:

Die allgemeinen Ausbrucharbeiten umfassen Bohr- und Sprengarbeiten, das Gesteinaufladen, der Abtranpsort des Abraums, die Durchführung von Sicherheitsmaßnahmen (Stollen- oder Tunnelzimmerung) und die Auskleidung.

  • 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 erfolgt die Sicherung freigelegter Flächen durch Spritzbeton, Felsanker, Stahlbögen und andere Bauelemente. Durch Einsatz von vollautomatischen Großmaschinen kann die Auszimmerung entfallen.

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.

Bild:Vom Bau des Gotthard-Tunnels.jpg

  • Bei der "Unterfangbauweise" oder "belgischen Bauweise" beginnt 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.

Im Gebirge erfolgt der Ausbruch meist durch Sprengen (= "Schießen"); das Gestein wird anschließend mit Abbaumaschinen entfernt und durch Fördermittel abtransportiert.

  • 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 das Ausräumen der Strosse und die Herstellung des Sohlgewölbes erfolgen.
  • 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 schubweise 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 "Gefrier- oder Versteinerungsverfahren" 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

Inhaltsverzeichnis

Die neue österreichische Tunnelbaumethode (NATM)

Das Prinzip

Der den Hohlraum umgebende Gebirgsteil wird maßgebender Teil der Tragkonstruktion. Um dies überhaupt erst zu ermöglichen ist eine semi-empirische Bauweise notwendig. Die Spannungen und Deformation werden so gut es geht vor dem Ausbrechen, 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 bis 400m. In Extremfällen, z.B. im städtischen Bereich unter Bauwerken, ist der Abstand gar nur 50m. 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. Probleme gibt es, wenn das Rechenmodell vom Gebirge nicht mit den tatsächlichen geologischen Verhältnissen übereinstimmt.

Meßverfahren

Die geologischen Vorwerte werden ua 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)
  • Kallotenkontrollmessungen (Lasermessung über die Deformation auf die Länge bezogen)

hinzu.

Der Vortrieb

Der Vortrieb paßt sich den jeweiligen geologischen Verhältnissen an, bei kleinen Profilen und spannungsarmen Zonen wird der ganze Querschnitt auf einmal gesprengt (Abschlag), bei grossen Querschnitten oder Problemzonen wird von oben nach unten gearbeitet (Kalotte - Strosse - Sohle).

Bauliche Maßnahmen

Um kritische Entspannungen und damit eine Auflockerung des umgebenden Gesteins zu minimieren erfolgen die ersten Sicherungsmaßnahmen unmittelbar nach dem Ausbrechen.

Stützmittel der NATM sind:

  • hochfester Spritzbeton mit Bewehrungsnetzen
  • Felsnägel und Anker
  • Injektionen
  • Streckenbögen (Beton, Stahl)

Diese Stützmittel können sowohl gleichmäßig über den ganzen Querschnitt, als auch asymetrisch (abhängig vom Gebirgsdruck) 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 Erfahrungswerte 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, teilsweise sind sogar Verdrückungen sind möglich. Um die die Spritzbetonschale flexibel zu machen, werden nach der Verankerung mehrere bis zu 20cm 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 durch den Anker (ggf. Injektionen) 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.

Anwendungsgebiet

Die NATM kann auch zur Unterfahrung von nicht bindigem Lockergestein eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind der U-Bahnbau in Wien oder Frankfurt. Durch Bodenverbesserung über Injektionen, die in weiterer Folge die Funktion von Mörtelankern übernehmen wird ein Ring 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.

Siehe auch

Von "http://de.freepedia.org/Tunnelbau.html"


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