Taschenbuch für den Tunnelbau 2015 -  - E-Book

Taschenbuch für den Tunnelbau 2015 E-Book

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Beschreibung

Das Taschenbuch für den Tunnelbau ist seit vielen Jahren ein praxisorientierter Ratgeber für Auftraggeber, Planer und Bauausführende. Es greift aktuelle Entwicklungen und Problemstellungen auf, präsentiert innovative Lösungen und dokumentiert dabei den jeweils erreichten Stand der Technik. Die Beiträge in der Ausgabe 2015 behandeln die Themenbereiche Konventioneller Tunnelbau, Maschineller Tunnelbau, Maschinen und Geräte, Baustoffe und Bauteile, Forschung und Entwicklung, Vertragswesen und betriebswirtschaftliche Aspekte sowie interessante Praxisbeispiele. Ein Einkaufsführer zum Thema Tunnelbaubedarf rundet das Buch ab.

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Seitenzahl: 369

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Inhalt

Abdeckung

Inhalt

Titel Seite

Copyright

Vorwort zum neununddreißigsten Jahrgang

Geotechnische Untersuchungen

I: Vortrieb eines Autobahntunnels unter einem FlusstalPatricia Wittke-Gattermann, Ralf Druffel

1 Einleitung

2 Untergrund- und Grundwasserverhältnisse

3 Modellvorstellungen

4 Pumpversuche

5 Grundwasserabsenkung durch Brunnen

6 Vortriebskonzept

Konventioneller Tunnelbau

I: Herstellung und Tragwirkung von SchirmgewölbesicherungenJochen Fillibeck

1 Einleitung

2 Rohrschirm

3 Injektionsschirm

4 Düsenstrahlschirm

5 Vereisungsschirm

6 Zusammenfassung und Wertung

II: NÖT-Vortriebe in den pleistozänen Dünensanden von Tel Aviv, IsraelMarcus Scholz, Sebastian Schwaiger

1 Das Projekt

2 Geologie

3 Hydrogeologie

4 Einschätzung des Gebirgsverhaltens

5 Wasserhaltung

6 Planung der eingleisigen Streckentunnel und der Querschläge

7 Planung der Weichenkavernen

8 Querung bestehender Infrastruktur/Genehmigungsprozess

9 Schlussbemerkung

III: Abdichtungssysteme mit Kunststoffdichtungsbahnen für Tunnel ohne DränageMarc Meissner, Sebastian Schwaiger, Roland Herr

1 Einführung in das Thema

2 Übersicht der Abdichtungssysteme

3 Wahl des richtigen Abdichtungssystems

4 Abdichtungssystem Kunststoffdichtungsbahn

5 Anforderungen an die Kunststoffdichtungsbahn und deren Verlegung

6 Probleme erkennen, Ursachen analysieren, Lösungen finden

7 Regelausbildung und bisherige Erfahrungen

8 Weiterentwicklung des kombinierten Kontroll- und Injektionssystems

9 Erfahrungen mit dem Prüf- und Injektionssystem/der Blockhinterlegung

10 Zusammenfassung

Maschineller Tunnelbau

I: Einsatz von Informationssystemen im maschinellen TunnelbauPeter-Michael Mayer, Janosch Stascheit Ulrich Maidl

1 Einleitung

2 IRIS.tunnel – Integriertes Risiko- und Informationssystem für den Tunnelbau

3 Prozessdatenerfassung und -analyse mit dem Programmsystem PROCON

4 Fazit und Ausblick

Maschinen und Geräte

I: Variable-Density-Maschine: Eine hybride Schildmaschine aus Erddruck- und FlüssigkeitsschildWerner Burger, Michael Sträßer, Britta Schößer

1 Grundlagen

2 Praktische Ausführungen der Multi-Mode-Technologie

3 Das Variable-Density-Konzept

4 Entwicklung der High-Density-Suspension

5 Einsatzerfahrungen mit Variable-Density-Maschinen beim Klang-Valley-MRT- Projekt (KVMRT) in Kuala Lumpur

6 Zusammenfassung

Baustoffe und Bauteile

I: Nachgiebiger Ausbau für druckhaftes GebirgeEckart Schneider, Markus Spiegl

1 Einleitung

2 Druckhaftes Gebirge

3 Geotechnische Grundlagen

4 Nachgiebiger Ausbau für konventionelle Vortriebe

5 Nachgiebiger Ausbau für Vortriebe mit Gripper-TBM (TBM-O)

6 Nachgiebiger Ausbau mit Tübbingen

7 Stauchelemente

8 Compex-Support-System

9 Zusammenfassung

II: Stahlfaserbeton oder konventionelle Bewehrung für Tübbinge – ein Vergleich der AnwendungBenno Ring, Ulrich Maidl

1 Einleitung

2 Materialverhalten

3 Statische Berechnungen

4 Nachweise

5 Planungshinweise

6 Schlussfolgerungen

III: Zementfreier Ringspaltmörtel – Eigenschaften, Anforderungen und AnwendungsgrenzenChristian Thienert, Matthias Pulsfort

1 Einführung

2 Drainierungsvorgang

3 Eigenschaften des drainierten Mörtelmaterials

4 Anforderungen und Zusammenfassung

Forschung und Entwicklung

I: Präventives Schädigungsmanagement im Tunnelbau – Schutz der oberirdischen BebauungPia Neugebauer, Steffen Schindler, Ingo Pähler, Andrea Blome, Peter Mark

1 Einleitung

2 Stand der Forschung bzw. der Technik

3 Konzept für das präventive Schädigungsmanagement

4 Praxisbeispiel Wehrhahn-Linie in Düsseldorf

5 Schlussfolgerung und Ausblick

Danksagung

Vertragswesen und betriebswirtschaftliche Aspekte

I: Anwendung des holistischen Chancen-Risiken-Managements beim Brenner BasistunnelKonrad Bergmeister

1 Einleitung

2 Strukturierung der Risiken und Chancen

3 Vorgehensweise beim Chancen-Risiken-Management

4 Beschreibung des Brenner Basistunnels

5 Holistisches Chancen-Risiken-Management beim Brenner Basistunnel

6 Zusammenfassung und Ausblick

Tunnelbaubedarf

Inserentenverzeichnis

Autorenverzeichnis

Wiley Endbenutzer-Lizenzvertrag

List of Tables

I: Herstellung und Tragwirkung von Schirmgewölbesicherungen

Tabelle 1. Ausführungsdaten zu den Injektionen für die Baumaßnahme U3 Nord, Los 1, O2

Tabelle 2. Abschätzung möglicher Säulendurchmesser (vertikale Düsenstrahlsäulen)

Tabelle 3. Übersicht über die durchgeführten Berechnungen zum plattenartigen Schirmgewölbe

Tabelle 4. Übersicht über die durchgeführten Berechnungen zum bogenartig ausgebildeten Schirmgewölbe

Tabelle 5. Forsthebungsdrücke in Abhängigkeit von der Bodenart

Tabelle 6. Einsatzrandbedingungen und -grenzen von Verfahren zur Schirmgewölbesicherung

III. Abdichtungssysteme mit Kunststoffdichtungsbahnen für Tunnel ohne Dränage

Tabelle 1. Übersicht der Abdichtungssysteme für die geschlossene (bergmännische) Tunnelbauweise [1]

Tabelle 2. Übersicht über die Verpressmengen bei der Anwendung des integrierten Injektionssystems im Unterinntal/A

Tabelle 3. Verpressmengen im Haupttunnel

Tabelle 4. Verpressmengen im Rettungsstollen

I: Einsatz von Informationssystemen im maschinellen Tunnelbau

Tabelle 1. Beispielhafte KPIs zur Überwachung der Qualität und Effizienz von Tunnelbauprojekten

Tabelle 2. Einordnung verschiedener Datenquellen in das einheitliche Referenzsystem

I: Variable-Density-Maschine: Eine hybride Schildmaschine aus Erddruck- und Flüssigkeitsschild

Tabelle 1. Zugabemengen an Kalksteinmehl zur Erhöhung der Suspensionsdichte

I: Nachgiebiger Ausbau für druckhaftes Gebirge

Tabelle 1. Übergeordnete Kategorien von Gebirgsverhaltenstypen, Auszug aus ÖGG-Richtlinie [2]

Tabelle 2. Kriterien für GVT 3 und 4

I: Präventives Schädigungsmanagement im Tunnelbau – Schutz der oberirdischen Bebauung

Tabelle 1. Beispiele für Schädigungskriterien, bauliche Strukturen und zulässige Grenzneigungen (tilt ω

max

), nach [11] [12] [13]

Tabelle 3. Empfehlungen zum Ansatz von E/G [15]

Tabelle 2. Zuordnung von Schadensklasse und Grenzdehnung [14]

Tabelle 4. Kategorisierung und Erscheinungsbild von Schäden, in Anlehnung an [32]

I: Anwendung des holistischen Chancen-Risiken-Managements beim Brenner Basistunnel

Tabelle 1. Schematische Einteilung der Chancen und Risiken sowie Bewertungsmethoden [2]

Tabelle 2. Strukturierung der Chancen-Risiken-Management-Methoden beim Brenner Basistunnel

Tabelle 3. Beispielhafte Festlegung von Projektanforderungen für Kosten und Termine [11]

Tabelle 4. Aufteilung der prognostizierten Kosten

Tabelle 5. Richtwerte R(1) (Prozentsätze) für allgemeine Risiken (teilweise aus [3])

Tabelle 6. Richtwerte R(2) (Prozentsätze) für Baugrund (teilweise aus [3])

Tabelle 7. Prozentsatz der Risikovorsorge für unbekannte, extreme Risiken (aus [2])

Tabelle 8. Prozentsätze der einzelnen Risiko-Kategorien und möglicher Chancen

Tabelle 9. Chancen-Risiken-Kategorien und mögliche Maßnahmen

List of Illustrations

I: Vortrieb eines Autobahntunnels unter einem Flusstal

Bild 1. Lageplan Tunnel Hirschhagen, Detail

Bild 2. Längsschnitt, Detail

Bild 3. Ortsbrust im Buntsandstein

Bild 4. Durchlässigkeitsbeiwerte eines Felses mit einer Schar durchgehender offener Trennflächen [4]

Bild 5. Durchlässigkeit Baugrund, inhomogen und anisotrop

Bild 6. Geschichteter Baugrund, vertikale Durchlässigkeit [4]

Bild 7. Geschichteter Baugrund, horizontale Durchlässigkeit [4]

Bild 8. Einfluss der Inhomogenität und Anisotropie auf den Absenktrichter

Bild 9. Grundwasserabsenkung im inhomogenen Kluftwasserleiter

Bild 10. Potenzielle Sickerwasserzutritte zum Tunnel am Top gering durchlässiger Schichten

Bild 11. Lageplan der Brunnen und Grundwassermessstellen

Bild 12. Pumpversuch B1, Messergebnisse

Bild 13. Nachrechnung Pumpversuch B1, FE-Netz und Randbedingungen

Bild 14. Randbedingungen im Brunnen

Bild 15. Nachrechnung Pumpversuch B1, untersuchte Einflussfaktoren

Bild 16. Pumpversuch B1, Q = 50 m

3

/h, Vergleich Rechnung – Messung, Symmetrieebene

Bild 17. Nachrechnung Pumpversuch B1, Linien gleicher Standrohrspiegelhöhe, Detail, Symmetrieebene

Bild 18. Simulation Grundwasserabsenkung, FE-Netz und Randbedingungen

Bild 19. Simulation Grundwasserabsenkung, Lage der Brunnen und der Schnitte für die Auswertung

Bild 20. Simulation Grundwasserabsenkung, Randbedingung Brunnen

Bild 21. Simulation Grundwasserabsenkung, Fall A, Schnitt durch die Tunnelachse, Linien gleicher Standrohrspiegelhöhe

Bild 22. Simulation Grundwasserabsenkung, Fall A, Schnitt × 5.000, Linien gleicher Standrohrspiegelhöhe

Bild 23. Simulation Grundwasserabsenkung, Fälle A und B, Schnitt × 5.000, Linien gleichen Wasserdrucks

Bild 24. Ausgeführte Brunnengalerie

I: Herstellung und Tragwirkung von Schirmgewölbesicherungen

Bild 1. Beispiel einer Rohrschirmherstellung

Bild 2. Beispiele zum Ansatz des Rohrschirms außerhalb (links) bzw. innerhalb des Ausbruchquerschnitts (rechts)

Bild 3. Beispielsimulation einer Vortriebssicherung [2]

Bild 4. Beispiel der errechneten Momentenverteilung im Rohrschirm [1]

Bild 5. Unterfahrung Werner-Friedmann-Bogen im Längsschnitt (oben) und Lageplan (unten)

Bild 6. Setzungen beim Werner-Friedmann-Bogen in Abhängigkeit vom Vortriebsstand

Bild 7. Setzungen beim Vortrieb W1 im Längsschnitt

Bild 8. Einbringen des Manschettenrohrs und Injektion mit Doppelpacker

Bild 9. Längsschnitt Vortrieb O2

Bild 10. Injektion von der Ortsbrust

Bild 11. Injektionskörper gemäß Planung bei der Injektion von der Ortsbrust

Bild 12. Querschnitt Injektion von GOK aus

Bild 13. Herstellung eines Düsenstrahlschirms von der Ortsbrust aus

Bild 14. Querschnitt mit Düsenstrahlschirm

Bild 15. Verformungen im MQ 8 nach der Düsenstrahlschirmherstellung

Bild 16. Erforderlicher Suspensionsrückfluss beim DSV

Bild 17. Ausbruchreihenfolge des untersuchten Querschnitts

Bild 18. Unterschiedliche Ausbildung des Schirmgewölbes

Bild 19. Setzungsmulden in Abhängigkeit von der Breite und Dicke des plattenartigen Schirmgewölbes

Bild 20. Vertikalverformungen bei Schirmgewölbe SG 1

Bild 21. Hauptspannungstrajektorien von Schirmgewölbe SG 2 nach dem Auffahren der Ulmenstollen

Bild 22. Tragwirkung eines plattenartigen Schirmgewölbes

Bild 23. Tragwirkung des bogenartigen Schirmgewölbes

Bild 24. Wahl des Gefrierlanzenabstands [6]

Bild 25. Einfluss der Temperatur (links) und der Zeit (rechts) auf die Festigkeit des Frostkörpers [7]

Bild 26. Prinzip des Frosthebungsversuchs

Bild 27. Frosthebung eines Sands und eines Kaolintons bei σ = 6 kN/m² [8]

Bild 28. Maßgebliche Aspekte zur Frosthebung durch Eislinsenbildung

Bild 29. Lage (links) und Schnitt (rechts) zum Bauvorhaben Bahnsteigerweiterung der U6 in München

Bild 30. Verformungen während des Vortriebs

Bild 31. Lage der DMS-Messstellen und ermittelte Druckkräfte in der Firste 70

II: NÖT-Vortriebe in den pleistozänen Dünensanden von Tel Aviv, Israel

Bild 1. Lage der Achsen 1, 2 und 8

Bild 2. Feingeschichtete, lagenweise verkittete Sande vom Typ Kurkar K1; der abgebildete Aufschluss ist etwa 1 m hoch

Bild 3. Regelquerschnitt eingleisiger Streckentunnel

Bild 4. Querschnitt durch die zwei Weichenkavernen Chamber 1/5 und Chamber 2/6

III. Abdichtungssysteme mit Kunststoffdichtungsbahnen für Tunnel ohne Dränage

Bild 1. Befestigung der Kunststoffdichtungsbahn mit Befestigungsrondelle

Bild 2. Installation von Rondellen

Bild 3. Kunststoffidichtungsbahn verschweißen

Bild 4. Schweißnahtprüfung mit Luftdruck

Bild 5. Beispiel für eine KDB im Nischenbereich

Bild 6. Fugenband

Bild 7. Isometrie des Abdichtungssystems

Bild 8. Blockfugenausbildung bei druckdichten Tunneln

Bild 9. Kontroll- und Injektionsschlauch

Bild 10. Anschluss des Prüf- und Injektionssystems

Bild 11. Doppelinjektionsstutzen

I: Einsatz von Informationssystemen im maschinellen Tunnelbau

Bild 1. Zentraler Datenpool

Bild 2. Schnittstellenmanagement auf der Tunnelbohrmaschine

Bild 3: Vergleich der Verläufe der Sensorwerte von KPIs [Screenshot aus IRIS.tunnel]

Bild 4. Geomonitoringsystem zur Überwachung von Gebäuden und Tunnel-/Tiefbaumaßnahmen [Screenshot aus IRIS.geomonitoring]

Bild 5. Massenbilanzberechnung aus Sensordaten [Screenshot aus IRIS.tunnel]

Bild 6. Beispiel für die Auswertung von Tübbingschäden als Kombination aus 1) Position des Schadens entlang der Tunnelachse, 2) Rissbreite des Schadens, 3) Position des Schadens am Ring (Farbe), 4) Anzahl der Risse pro Tübbing (Größe) [Screenshot aus IRIS.tunnel]

Bild 7. Sensorboard des Abraummanagements in einem Hartgesteinsvortrieb mit zwei TBMs [Screenshot aus IRIS.tunnel]

Bild 8. Übersicht über das Los C918 der Singapur Metro Downtown Line 2

Bild 9. Massenbilanzmodul zur aktuellen Ist-Kontrolle des gerade gebauten Rings in Bezug auf übermäßigen Massenaustrag [Screenshot aus IRIS.tunnel]

Bild 10. Bildschirmanzeige der aktuellen TBM-Position und der Trasse des Sluiskil-Tunnel, sowie der geotechnischen und geodätischen Sensorik, inklusive der Alarmwerte [Screenshot aus IRIS.tunnel]

Bild 11. Darstellung des Verlaufs von Setzungsmessungen in Bezug auf die TBM-Position [Screenshot aus IRIS.tunnel]

Bild 12. Visualisierung des Tunnels mit bestellten und verbauten Tübbingen, angetroffener und prognostizierter Geologie sowie der anstehenden Querschläge [Screenshot aus IRIS.tunnel]

Bild 13. IRIS-Tübbingbestellmodul

Bild 14. Datenquellen zur kontextuellen Erfassung von Vortriebsdaten

Bild 15. Darstellung eines einzelnen Maschinensensors: a) über die Zeit; b) über die Ringnummer eines gewählten Intervalls

Bild 16. Darstellung eines Maschinensensors sowie seines Zielintervalls über die Zeit

Bild 17. Grafische Darstellung der Maschinenposition (dunkler Punkt) im geotechnischen Längsschnitt (hier: zwei Schichten und ein Dichtblock sowie die Tunneltrasse)

Bild 18. Kartendarstellung mit Maschinenposition, Tunneltrasse und der Verortung von Gefahrenstellen und Vermessungsinstrumenten

Bild 19. Korrelationsdiagramm am Beispiel der Beziehung zwischen Drehmoment und Vortriebskräften

Bild 20. Leistungsanalyse: a) Stillstandszeiten, b) Werkzeugwechsel

Bild 21. Visualisierung der Entwicklung der Setzungsmulde in einem Messquerschnitt

Bild 22. Dashboard in PROCON zur simultanen Visualisierung verschiedener Aspekte

Bild 23. a) Soll-Ist-Vergleich am Beispiel der Ringspaltverpressung, Darstellung von Rechenwerten und Sensordaten in einem gemeinsamen Diagramm; b) Darstellung der kumulierten Werte aus Grafik a) über eine größere Anzahl Ringe

Bild 24. Aktive Ortsbruststützung mit Schaum, nach [3]

Bild 25. Abhängigkeit der Steighöhe vom Stützdruck und von der Dichte des Stützmediums

Bild 26. Auslösemechanismus für Alarmzustände in Bezug auf drohende Ausbläser

Bild 27. Beispiel für nachgelagerte Datenanalyse

I: Variable-Density-Maschine: Eine hybride Schildmaschine aus Erddruck- und Flüssigkeitsschild

Bild 1. Die drei grundsätzlichen Maschinentypen

Bild 2. Erddruckmaschine in geschlossenem Modus (links) und im Druckluftmodus (rechts)

Bild 3. Erddruckmaschine in offenem Modus mit teilgefüllter Abbaukammer

Bild 4. Zwei EPB-Schilde nach dem Durchstich am Katzenbergtunnel

Bild 5. Multi-Mode-Maschine für den Tunnel de Saverne

Bild 6. Durchstich der zweiten Röhre am Tunnel de Saverne

Bild 7. Integrales Maschinenkonzept für den Wechsel von Flüssigkeitsschild (links) zu offenem Einfachschild (rechts)

Bild 8. Maschine für den Lake Mead Intake Tunnel N

o

3, im offenen Modus mit zentraler Förderschnecke (links) und im geschlossenen Modus mit aktivem Förderkreis

Bild 9. Systemskizze zur Stützdruckregulierung bei einer Erddruckmaschine (links) und bei einer Flüssigkeitsmaschine mit Tauchwand und eines dahinter liegenden Druckluftpolsters (rechts)

Bild 10. Modulares Maschinenkonzept für einen Wechsel zwischen Flüssigkeitsschild (links) und Erddruckschild (rechts) durch den Austausch einzelner Module

Bild 11. Maschine für das Projekt Socatop im flüssigkeitsgestützten (links) und im erddruckgestützten Modus (rechts)

Bild 12. Überblick über den Trassenverlauf und die jeweils eingesetzten Betriebsarten auf den Abschnitten VL1 und VL2 des Projekts Socatop

Bild 13. Variable-Density-Maschine im offenen Betrieb (links) und im erddruckgestützten Betrieb (rechts)

Bild 14. Variable-Density-Maschine im High-Density-Betrieb (links) und im flüssigkeitsgestützten Betrieb (rechts)

Bild 15. Schematische Darstellung einer komplett ausgestatteten Variable-Density-Maschine

Bild 16. Versuchsstand mit Injektionszylindern (links) und Einzelversuch mit Grobkies (rechts)

Bild 17. Streckenverlauf der SBK-Linie [7a]

Bild 18. Übersicht der anstehenden Geologie im Bereich der MRT- Tunnelstrecken

Bild 19. Lageplan des SMART- Projekts (oben) und Querschnitt des Straßen- und Wassertunnels (unten)

Bild 20. Geologie für den unterirdischen Streckenabschnitt der SBK-Linie

Bild 21. Variation Stützmedium von dünnflüssig bis pastös

Bild 22. Stützdruckverlauf des LDSM und HDSM

Bild 23. Einteilung der unterirdischen Strecke in Vortriebsabschnitte

Bild 24. Betriebsmodi der Variable-Density-TBM

Bild 25. Längsschnitt der Geologie mit Darstellung der Vortriebsmethode des Streckenabschnitts Inai–Pudu

I: Nachgiebiger Ausbau für druckhaftes Gebirge

Bild 1. Fenner-Pacher Kurve (1964) [7]

Bild 2. Moderne Darstellung einer Gebirgskennlinie

Bild 3. Vorschläge von Rabcewicz

Bild 4. Meypo-Stauchelemente

Bild 5. Galgenberg-Tunnel

Bild 6. Gotthard-Basistunnel, nachgiebiger Ausbau für Tavetscher Zwischenmassiv

Bild 7. Basistunnel Lyon-Turin, Zugangstunnel St. Martin-La Porte

Bild 8. Nachgiebiger Stahlausbau im Vereina-Tunnel, Baulos T4 Nord

Bild 9. Systeme für nachgiebigen Ausbau mit Tübbingen

Bild 10. Stauchelemente: LSC-Element (oben links und rechts), System Wabe (unten links), System hiDCon (unten rechts)

Bild 11. Vergleich: Blasversatz – Verpressen mit Mörtel

Bild 12. Zeitbezogener Zusammenhang zwischen Verformung des Gebirges und Tragvermögen des Spritzbetons, Arbeitslinien LSC-Stauchelement Typ A/I und Spritzbeton J2/B (aus [15])

Bild 13. Idealisierte Arbeitslinie für komprimierbaren Mörtel

Bild 14. Arbeitslinien von 1, 7, 28 und 90 Tage altem Compex-Mörtel

Bild 15. Compex-Großversuch (Tunnelmodell, Mörtel)

II: Stahlfaserbeton oder konventionelle Bewehrung für Tübbinge – ein Vergleich der Anwendung

Bild 1. Materialverhalten von Beton und Betonstahl nach DIN 1045-1:2008-08 [2]

Bild 2. Versuchsaufbau für den Vierpunktversuch nach DAfStb-Richtlinie [3] [5]

Bild 3. Versuchsaufbau für den Vierpunktversuch nach JCI-SF4 [6]

Bild 4. Ergebnisse für Biegeversuche nach JSCE-SF4 [6]

Bild 5. Spannungs-Dehnungs-Verhalten eines Stahlfaserbetons im Zugbereich

Bild 6. Spannungs-Dehnungs-Verhalten für den Stahlfaserbeton der Linie 5 in São Paulo

Bild 7. Ideelles Dehnungs- und Spannungs-Bild im SLS-Zustand I

Bild 8. Ideelles Dehnungs- und Spannungs-Bild bei maximalem Biegemoment im SLS

Bild 9. Ideelles Dehnungs- und Spannungs-Bild bei maximaler Dehnung im SLS

Bild 10. Ideelles Dehnungs- und Spannungs-Bild bei maximalem Biegemoment im ULS

Bild 11. 3D-FE-Modell für die statischen Berechnungen der Linie 5 in São Paulo, Schnitt CS6.2

Bild 12. Schalenmodell für die Tübbingsegmente

Bild 13. Koppelfedern in den Längsfugen (links) und in der Ringfuge (rechts)

Bild 14. Schnittgrößen in der Tübbingschale: Normalkraft (links), Biegemoment (Mitte) und Querkraft (rechts)

Bild 15. Erforderliche Hauptbewehrung: Innenseite (links) und Außenseite (rechts)

Bild 16. Maßgebende Bemessungsspannungen im Stahlfaserbeton im Firstbereich (links) und im Ulmenbereich (rechts)

Bild 17. Nachweis der Querkraftaufnahme nach DIN 1045-1:2008-08 [2]

Bild 18. Nachweis der Querkraftaufnahme nach DAfStb-Richtlinie [3] und DIN 1045-1:2008-08 [2]

Bild 19. Nachweis radialer Zugspannungen für Stahlbeton [9] (links) und Stahlfaserbeton [3] (rechts)

Bild 20. Gebogenes Schalenmodell für den Nachweis des tangentialen Spaltzugs

Bild 21. Hauptspannungen im Segment infolge Einleitens von Vortriebspressenkräften

Bild 22. Hauptspannungen I im Segment für linear elastische Berechnung

Bild 23. Integrieren der Spaltzugspannungen über Längsschnitte

Bild 24. Hauptspannungen I im Segment die Berechnung mit nichtlinearem Materialverhalten

III: Zementfreier Ringspaltmörtel – Eigenschaften, Anforderungen und Anwendungsgrenzen

Bild 1. Ringspaltverpressung durch den Schildmantel [Herrenknecht AG]

Bild 2. Zementfreier Ringspaltmörtel: Pumpförderung (links); drainierter Zustand (rechts)

Bild 3. Wirksame Kräfte im Ringraum [2]

Bild 4. Mörteldrainierung im Ringraum bei flüssigkeitsgestützter Ortsbrust

Bild 5. Großödometer: Prinzipskizze (links); Versuchseinrichtung (Mitte); Platte mit Druckgeber (rechts)

Bild 6. Setzungsverlauf und Porenwasserdruckentwicklung für einen exemplarischen zementfreien Ringspaltmörtel

Bild 7. Mechanismen der Stützdruckübertragung: Membranbildung (links); statische Schubspannungen (rechts)

Bild 8. Druckverhältnisse beim Vorliegen einer Bentonit-Membran

Bild 9. Druckverhältnisse beim Vorliegen statischer Schubspannungen

Bild 10. Mittelung des Strömungswiderstands [4]

Bild 11. Beispieltunnel

Bild 12. Anwendungsbereiche von zementfreiem Ringspaltmörtel

Bild 13. Modifizierter Bettungsansatz [12]

Bild 14. Indexwerte eines drainierten zementfreien Ringspaltmörtels

I: Präventives Schädigungsmanagement im Tunnelbau – Schutz der oberirdischen Bebauung

Bild 1. Schema einer Unterfahrung und qualitative Setzungsmulde [1]

Bild 2. Zusammenfassendes Ablaufdiagramm für das präventive Schädigungsmanagement

Bild 3. Setzungsmulde nach Peck [5] mit ihren Einflussbereichen auf die oberirdische Bebauung

Bild 4. Bodenabhängige Parameter zur Berechnung der Freifeldsetzungsmulde, nach [6]

Bild 5. Definition der Bauwerksverdrehungen und -verschiebungen: A–D Deflection ratio Δ/L

i

B–T Tilt ω

max

C–R Rotation θ

max

D–A Angular strain α

max

E–A Angular distortion ß

max

[10]

Bild 6. Schema zur Schadensbewertung, nach Burland et al. [3] und Bascardin et al. [14] aus, [15]

Bild 7. Übergeordnete Struktur eines präventiven Schädigungsmanagements

Bild 8. Prinzip der Radarinterferometrie (vereinfachte Darstellung)

Bild 9. Radarbild (SAR-Aufnahme) mit unterschiedlich intensiven Reflexionen

Bild 10. Konzept zur Kombination terrestrischen und radarinterferometrischen Setzungsmonitorings in der Vortriebsphase und räumliche Ausdehnung

Bild 11. Beispiel eines integrierten Produktmodells mit der Visualisierung von Boden (Bohrlöcher), Grundwasser, Tunnel, TVM, oberirdischer Bebauung und radarinterferometrisch bestimmten Setzungen [24]

Bild 12. Mehrstufge Schädigungsprognose mit Methoden und Bedingungen

Bild 13. Chronologie von Konstruktion und Baustoffen typischer Bauteile (Beispiel Gründung) [25]

Bild 14. Automatisierte Mustererkennung zur Identifizierung vulnerabler Merkmale

Bild 15. Funktionsprinzip von Interface-Elementen zur Simulation von Setzung und BBI [28]

Bild 16. Strategien und Verfahren zur Vermeidung von Setzungen und Setzungsschäden

Bild 17. Streckenverlauf der Wehrhahn-Linie in Düsseldorf und TVM im gelenzten Zielschacht [Landeshauptstadt Düsseldorf]

Bild 18. Schematische Anordnung der Vereisungsbohrungen mit beginnendem Rohbau im Zentrum [Landeshauptstadt Düsseldorf]

Bild 19. Beispiel von Zeitserien der Verschiebungen aus terrestrischen und satellitengestützten Messungen [1]

Bild 20. Schacht für das Einbringen von Kompensationsinjektionsrohren zur Bauwerkssicherung

I: Anwendung des holistischen Chancen-Risiken-Managements beim Brenner Basistunnel

Bild 1. Entwicklung der Basiskosten und der Kosten für die Risikovorsorge ohne Wertanpassung, ohne Gleitung und ohne Valorisierung

Bild 2. Kreislauf des Chancen-Risiken-Managements

Bild 3. Zeitlicher Verlauf extremer Ereignisse [2]

Bild 4. Verschiedene statistische Verteilungsfunktionen

Bild 5. Europäischer Nord-Süd-Korridor mit Brenner Basistunnel

Bild 6. Geologischer Längsschnitt

Bild 7. Lageplan des Brenner Basistunnels

Bild 8. Dreiteilige Bewertungsskala der technischen Risiken beim Brenner Basistunnel

Bild 9. Ablaufschema des Chancen-Risiken-Managements

Bild 10. Beta-Verteilung

Bild 11. Lorenz-Kurve für die Risikovorsorge der identifizierten Risiken beim BBT

Bild 12. Dynamischer Ablauf der phänomenologischen SzenarienDelphi-Methode [2]

Guide

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Table of Contents

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Taschenbuch für denTunnelbau 2015

Kompendium der Tunnelbautechnologie Planungshilfe für den Tunnelbau

Herausgegeben von der DGGT · Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e.V.unter Mitwirkung von

Dr. rer. nat. K. Laackmann (Federführung),

Prof. Dr.-Ing. H. Balthaus,

Dipl.-Ing. O. Braach,

Dipl.-Ing. W.-D. Friebel,

Prof. Dr.-Ing. habil. A. Hettler,

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult. B. Maidl,

Dipl.-Ing. M. Meissner, M.BC.,

Dipl.-Ing. W. Schuck,

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Dipl.-Ing. D. Stephan,

Prof. Dr.-Ing. M. Thewes,

Dr.-Ing. B. Wittke-Schmitt

 

39. Jahrgang

Bibliografische Information der Deutschen NationalbibliothekDie Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

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Print ISBN: 978-3-433-03099-8ePDF ISBN: 978-3-433-60579-0ePub ISBN: 978-3-433-60580-6eMobi ISBN: 978-3-433-60578-3oBook ISBN: 978-3-433-63000-6

Vorwort zum neununddreißigsten Jahrgang

Das Taschenbuch für den Tunnelbau ist seit vielen Jahren ein praxisnaher Ratgeber für Auftraggeber, Planer und Bauausführende. Es greift aktuelle Entwicklungen und Problemstellungen auf und dokumentiert dabei den erreichten Stand der Technik. Es erscheint in diesem Jahr zum zweiten Mal im Verlag Ernst & Sohn. In bewährter Art haben Herausgeberbeirat und Verlag einen interessanten Themenmix zusammengestellt, bei dem erfahrene Autoren über innovative Lösungen und Erfahrungen aus aktuellen Projekten berichten.

Die Beiträge in der Ausgabe 2015 behandeln die Themenbereiche Geotechnische Untersuchungen, Konventioneller Tunnelbau, Maschineller Tunnelbau, Maschinen und Geräte, Baustoffe und Bauteile, Forschung und Entwicklung, Vertragswesen und betriebswirtschaftliche Aspekte sowie interessante Praxisbeispiele. Ein Einkaufsführer zum Thema Tunnelbaubedarf rundet das Buch ab.

Wir wünschen Ihnen eine anregende Lektüre und freuen uns über Rückmeldungen sowie Themen- und Beitragsvorschläge für zukünftige Ausgaben aus Ihren Reihen. Wenden Sie sich dazu bitte an die Mitglieder des Herausgeberbeirats oder an das Lektorat des Verlags Ernst & Sohn.

Geotechnische Untersuchungen

I. Vortrieb eines Autobahntunnels unter einem Flusstal

Autoren: Dr.-Ing. Patricia Wittke-Gattermann, Dipl.-Ing. Ralf Druffel, WBI GmbH, Weinheim

Die Röhren des Tunnels Hirschhagen der BAB A44 unterfahren in der Nähe der Ortschaft Hessisch Lichtenau die Bundesstraße B7, eine eingleisige Bahnstrecke und das Tal der Losse. Der Baugrund besteht aus Buntsandstein und tertiären Tonen und Sanden. Es ist geplant, den Vortrieb im Schutz einer Grundwasserhaltung durchzuführen. Die Grundwasserabsenkung soll mithilfe einer Großbrunnenanlage durchgeführt werden. Zur Bemessung dieser Anlage wurden zwei Pumpversuche durchgeführt, die mit numerischen Berechnungen ausgewertet wurden. In dem dazu erarbeiteten großräumigen Modell werden die trennfächenbedingte Anisotropie des Buntsandsteins und der Einfluss benachbarter gering durchlässiger Störungen berücksichtigt.

Excavation of highway tunnel underneath a river valley

In Eschenstruth near Hessisch-Lichtenau, Germany, the two tubes of the tunnel Hirschhagen of the BAB A44 are driven underneath of the federal road B7, a rail track and the valley of river Losse. The tunnel is located in the Buntsandstein which consists of an alternating layer of Sandstones and Claystones and in a Tertiary formation, which consists of Clay and Sand. It is planned to lower the groundwater level by means of a number of large scale pumping wells before the tunnel is excavated. In order to achieve the necessary data for the design of the wells, two pumping tests were carried out and evaluated by means of numerical analyses. Two 40 m deep pumping wells and adjacent piezometers were constructed and installed, respectively. The numerical analyses for the evaluation of the tests were based on a large-scale model which accounts for the effects of the inhomogeneous and anisotropic permeability of the rock mass and the influence of adjacent faults.

1 Einleitung

Der 4,2 km lange Tunnel Hirschhagen der BAB A44 unterquert in Eschenstruth bei Hessisch-Lichtenau die Bundesstraße B7, eine Eisenbahnstrecke und die Losse. Die beiden Tunnelröhren liegen in diesem Bereich in einer Subrosionssenke, in der Buntsandstein und Tertiärer Ton anstehen. Es ist geplant, den Vortrieb unterhalb der Losseaue im Schutz einer Grundwasserhaltung durchzuführen [1]. Die Grundwasserabsenkung soll mithilfe einer Großbrunnenanlage durchgeführt werden. Die Losse soll abgedichtet werden (Bilder 1 und 2).

Bild 1. Lageplan Tunnel Hirschhagen, Detail

Bild 2. Längsschnitt, Detail

Zur Bemessung der Brunnenanlage wurden zwei Pumpversuche durchgeführt, die mit numerischen Berechnungen ausgewertet wurden. Darüber hinaus wurde eine rechnerische Simulation der geplanten GW-Absenkung durchgeführt, die mithilfe der im Bild 2 dargestellten Brunnengalerie vorgenommen werden soll. Die Ergebnisse der Versuche und Berechnungen dienten als Grundlage für den Entwurf der Brunnenanlage und des Vortriebskonzepts für die Tunnel in diesem Abschnitt.

2 Untergrund- und Grundwasserverhältnisse

Im Kern der Subrosionssenke stehen bindige Lockergesteine des Tertiärs an. An diesen Bereich schließen sich nach den Seiten und nach unten die Schichten des Buntsandsteins der Solling-Folge (smS) an. In Richtung Losse folgen auf die Solling-Folge die Schichten der Detfurth-Folge des Buntsandsteins. Diese Schichten werden von einer ca. 4 bis 10 m mächtigen Schicht aus Quartär überlagert. Am südlichen Rand der Tertiärrinne befindet sich eine Störung. Weiter südlich im Hang hinter dem Lossetal sind ebenfalls Störungen prognostiziert (Bild 2) [2].

Nach den Bohrprofilen der im Bereich der Losseaue abgeteuften Erkundungsbohrungen und der Bohrungen für die Grundwassermessstellen des Pumpversuchs ist der Buntsandstein insbesondere im Bereich der Störung teilweise entfestigt und enthält Zerrüttungszonen. Dieser vermutlich von der Störung beeinflusste Bereich reicht nach den Ergebnissen der Erkundungsbohrungen bis ca. 100 m südlich der Tertiärrinne.

Der Grundwasserspiegel steht nach den Ergebnissen der Messungen in verschiedenen Grundwassermessstellen bei ca. 304 mNN geringfügig unterhalb der Geländeoberfläche an. Es ist davon auszugehen, dass eine hydraulische Verbindung zwischen Quartär und Buntsandstein vorhanden ist.

Im geotechnischen Gutachten [2] ist mit kf = 9 · 10–8 bis 4 · 10–4 m/s eine sehr große Bandbreite für die Wasserduchlässigkeitsbeiwerte des Buntsandsteins angegeben. Für die Ausführungsplanung für die Brunnengalerie und für den Tunnelvortrieb war in Anbetracht der Risiken eine genauere Abschätzung der Durchlässigkeitsbeiwerte erforderlich. Aus diesem Grund wurde entschieden, Pumpversuche durchzuführen.

3 Modellvorstellungen

3.1 Anisotropie und Inhomogenität

Der mittlere Buntsandstein besteht überwiegend aus einer Wechselfolge von Sand- und Tonsteinen. Insbesondere in der Har-degsen-Folge, der Detfurth-Folge und der Volpriehausen-Folge werden durchgehende Tonsteinlagen sehr häufig angetroffen. Dagegen besteht die Solling-Folge überwiegend aus dickeren Sandsteinpaketen, in die wenige Tonsteinlagen eingelagert sind (Bild 3). Auch in den Bohrungen für die Brunnen und die Grundwassermessstellen für den Pumpversuch wurden ausgeprägte Tonsteinlagen angetroffen.

Bild 3. Ortsbrust im Buntsandstein

Da die Standsteinlagen eine deutlich größere Wasserdurchlässigkeit besitzen als die Tonsteinlagen, bedingt die Wechsellagerung eine ausgeprägte Inhomogenität und Anisotropie der Wasserdurchlässigkeit der verschiedenen Formationen des Buntsandsteins.

3.2 Grundwasserströmung im anisotropen und inhomogen Untergrund

Eine Grundwasserströmung findet im Fels überwiegend entlang von Trennflächen statt. Dagegen ist die Durchströmung der Gesteinsmatrix meist vernachlässigbar gering. Zur Veranschaulichung der Größenordnung der Durchlässigkeit von klüftigem Fels sind in Bild 4 die Durchlässigkeitsbeiwerte kT parallel zu einer Trennflächenschar mit einem Trennflächenabstand von d = 1 m sowie verschiedenen Öffnungsweiten und Rauigkeiten den isotropen Durchlässigkeitsbeiwerten von Lockergestein gegenübergestellt. Danach entspricht die Durchlässigkeit eines Felses mit Trennflächenöffnungsweiten von 2āi = 0,2 mm und Trennflächenabständen von d = 1 m der Durchlässigkeit eines Feinsandes. Für 2āi = 0,7 mm ergibt sich bereits die Durchlässigkeit eines Kieses [3] [4].

Bild 4. Durchlässigkeitsbeiwerte eines Felses mit einer Schar durchgehender offener Trennflächen [4]

Im Buntsandstein sind die Tonsteinlagen, wie bereits erwähnt, gering durchlässig. Dagegen sind die Sandsteinlagen stärker durchlässig, da in diesen ausgeprägte Trennflächen (Klüfte) ausgebildet sind. Die Sickerströmung findet daher überwiegend in den Sandsteinschichten und damit in horizontaler Richtung statt. Die vertikale Durchströmung der Wechsellagerung ist durch die gering durchlässigen Tonsteinlagen behindert (Bild 5).

Bild 5. Durchlässigkeit Baugrund, inhomogen und anisotrop

In einer Berechnung kann die genaue Abfolge der durchlässigen und wenig durchlässigen Schichten einer Wechsellagerung nur schwer berücksichtigt werden, da die Lage und Erstreckung der einzelnen Schichten in der Regel nicht genau bekannt sind.

Daher wird vereinfachend von einer äquivalenten Wasserdurchlässigkeit ausgegangen, die in horizontaler Richtung größer ist als vertikal. Dabei sind die durchlässigeren Schichten für die horizontale und die undurchlässigeren Schichten für die vertikale Durchlässigkeit der Wechsellagerung bestimmend (Bilder 6 und 7) [3] [4].

Bild 6. Geschichteter Baugrund, vertikale Durchlässigkeit [4]

Bild 7. Geschichteter Baugrund, horizontale Durchlässigkeit [4]

3.3 Zufluss zu einem Brunnen

Der Zufluss zu einem Brunnen in einer horizontalen Wechsellagerung des Buntsandsteins erfolgt entlang der horizontal durchlässigen Sandsteinschichten. Im Gegensatz zur Grundwasserabsenkung im Untergrund mit isotroper Wasserdurchlässigkeit, bei der das Wasser innerhalb des Absenktrichters nahezu vollständig dem Untergrund entzogen wird, verbleibt hier Restwasser oberhalb der wenig durchlässigen Tonschichten. Es ergeben sich einzelne Absenktrichter in den durchlässigen Schichten. Eine vollständige Absenkung wird durch die nur gering durchlässigen Schichten zumindest über größere Zeiträume verhindert (Bild 8).

Bild 8. Einfluss der Inhomogenität und Anisotropie auf den Absenktrichter

In den grundwasserführenden Schichten erfolgt, wie zuvor erläutert, die Grundwasserströmung entlang der Trennflächen. Falls mit dem Brunnen allerdings keine wasserführenden Trennflächen angeschnitten werden, findet auch keine Absenkung statt (Bild 9).

Bild 9. Grundwasserabsenkung im inhomogenen Kluftwasserleiter

3.4 Zufluss zu einem Tunnel

Auch nach der Inbetriebnahme der Absenkbrunnen kann es aus den o. g. Gründen zu Sickerwasserzutritten im Tunnel kommen, indem Wasser entlang der wasserführenden Schichten dem Tunnel zuströmt (Bild 10).

Bild 10. Potenzielle Sickerwasserzutritte zum Tunnel am Top gering durchlässiger Schichten

4 Pumpversuche

4.1 Versuchsdurchführung und Ergebnisse

Es wurden zwei Pumpversuche durchgeführt. Dazu wurden zwei 40 m tiefe Brunnen mit einem Durchmesser von 324 mm hergestellt und Grundwassermessstellen in unterschiedlichen Abständen zu diesen Brunnen eingerichtet. Der Brunnen B1 liegt ca. 20 m westlich der Losse. Der Brunnen B2 liegt am südlichen Rand der Tertiärrinne im Buntsandstein (Bild 11).

Bild 11. Lageplan der Brunnen und Grundwassermessstellen

Die Filterstrecken der Brunnen liegen im Buntsandstein. Die Grundwassermessstellen wurden überwiegend im Buntsandstein, teilweise aber auch im Quartär bzw. im Tertiär, verfiltert.

Beim Pumpversuch am Brunnen B1 wurde in der Phase 1 das Wasser über einen Zeitraum von ca. 5 Tagen mit einer Förderrate von 30 m³/h abgepumpt. Im Brunnen stellte sich dadurch eine Absenkung von 2,56 m ein. Anschließend wurde in einer Phase 2 die Leistung der Pumpe auf 50 m³/h erhöht und über einen Zeitraum von 7 Tagen Wasser abgepumpt. Damit wurde eine Absenkung von 6,14 m im Brunnen erzielt (Bild 12).

Bild 12. Pumpversuch B1, Messergebnisse

Die gemessenen Ganglinien im Brunnen und in den Grundwassermessstellen steigen mit den Durchflussmengen am Pegel Helsa der Losse an. Daraus kann man schließen, dass die Grundwasserstände im betrachteten Gebiet vom Wasserstand in der Losse und damit bei dem verhältnismäßig kleinen Einzugsgebiet der Losse von den regionalen Niederschlägen abhängt.

Beim Pumpversuch am Brunnen B2 wurde eine Absenkung von 6,25 m in der Phase 1 mit einer Förderrate von 30 m³/h und eine Absenkung von 15,0 m in der Phase 2 mit einer Förderrate von 50 m³/h erzielt.

4.2 Auswertung mit Sickerströmungsberechnungen

Um die tatsächlichen Verhältnisse möglichst wirklichkeitsnah nachzubilden, wurden dreidimensionale Sickerströmungsberechnungen nach der FE-Methode durchgeführt. Dabei wurde das von WBI entwickelte Programm HYD-03 angewendet, mit dem Berechnungen der räumlichen Sickerströmung im anisotropen Fels durchgeführt werden können [3] [4].

Bild 13 zeigt das verwendete FE-Netz. Der Berechnungsausschnitt ist 10.000 m lang, 5.000 m breit und 78,8 m hoch. Es wurde eine Symmetrieebene in der Brunnenachse angenommen. Im mittleren Bereich wurden das Quartär an der Oberfläche sowie die Tertiärrinne nachgebildet. Im restlichen Berechnungsauschnitt wurde Buntsandstein nachgebildet. An den Außenrändern des Berechnungsausschnitts wurde eine Standrohrspiegelhöhe von 303,8 m vorgegeben, die den gemessenen Wasserspiegelhöhen im Ausgangszustand vor Beginn der Versuche entspricht. Die Symmetrieebene wurde undurchlässig angenommen (Bild 13).

Bild 13. Nachrechnung Pumpversuch B1, FE-Netz und Randbedingungen

Für die Knoten auf der Wandung des Brunnens wurde eine konstante Standrohrspiegelhöhe vorgegeben, die dem während der Pumpversuche im stationären Zustand gemessenen Wasserspiegel (297,66 mNN beim Brunnen B1 mit einer Förderrate von 50 m³/h) entspricht. In dem Brunnenabschnitt, der gegen den Untergrund abgedichtet ist, wurden die Knoten auf der Brunnenwandung als undurchlässig angenommen (Bild 14).

Bild 14. Randbedingungen im Brunnen

Als weitere Randbedingung wurde (in einigen Fällen) der Einfluss der Losse simuliert, indem den Knoten entlang des Flusslaufs an der Oberfläche des Netzes eine Standrohrspiegelhöhe von 303,8 m zugewiesen wurde (vgl. Bild 13).

Darüber hinaus wurden (in einigen Fällen) zwei durchgehende Störungen simuliert (vgl. Bild 13). Diese Störungen liegen nach den Angaben im geotechnischen Gutachten [2] südlich des Tertiärs und im Hang südlich des Lossetals (vgl. Bild 2). Die während des Pumpversuchs gemessenen Wasserstände im Bereich zwischen den beiden Störungszonen und außerhalb dieses Bereichs weisen darauf hin, dass die Störungen vergleichsweise undurchlässig sind und eine abdichtende Wirkung gegen die außerhalb der durch die Pumpversuche beeinflussten Zonen liegenden Bereiche besitzen.

In unterschiedlichen Berechnungsfällen wurden u. a. die Durchlässigkeiten des Buntsandsteins, des Quartärs und des Tertiärs variiert. Dabei wurde beim Buntsandstein und beim Quartär zwischen horizontaler und vertikaler Durchlässigkeit unterschieden (Bild 15).

Bild 15. Nachrechnung Pumpversuch B1, untersuchte Einflussfaktoren

Die beste Übereinstimmung zwischen den beim Pumpversuch B1 gemessenen Wassermengen und Standrohrspiegelhöhen und den berechneten Werten ergibt sich mit den in Bild 15 unter „Best ft“ angegebenen Kennwerten und Berechnungsannahmen. Bild 16 zeigt einen Vergleich zwischen den gemessenen und errechneten Standrohrspiegelhöhen für eine Förderrate von Q = 50 m³/h.

Bild 16. Pumpversuch B1, Q = 50 m3/h, Vergleich Rechnung – Messung, Symmetrieebene

Die errechneten Linien gleicher Standrohrspiegelhöhe zeigen eine weiträumige Absenkung der Standrohrspiegelhöhen zwischen den Störungen. Allerdings wird die freie Wasseroberfläche auch bei Annahme einer Förderleistung des Brunnens von ca. 50 m³/h nur um wenige Meter abgesenkt (Bild 17). Dieses resultiert aus der zuvor erläuterten und in Bild 8 dargestellten Grundwasserströmung im inhomogenen bzw. anisotropen Gebirge, nach der der Zufluss zum Brunnen vorwiegend in horizontaler Richtung erfolgt und Restwassermengen oberhalb der wenig durchlässigen Tonschichten verbleiben.

Bild 17. Nachrechnung Pumpversuch B1, Linien gleicher Standrohrspiegelhöhe, Detail, Symmetrieebene

4.3 Schlussfolgerungen

Aus den Pumpversuchen können die folgenden Schlussfolgerungen gezogen werden:

– Es ist eine Verbindung zwischen Quartär und Buntsandstein vorhanden. Niederschläge wirken sich unmittelbar auf die Absenkung des Grundwasserspiegels aus.

– Das Gebirge besitzt eine anisotrope Durchlässigkeit, die eine Folge der horizontalen Wechsellagerung aus durchlässigen Sandsteinschichten und gering durchlässigen Tonsteinschichten ist.

– Es gibt sehr wahrscheinlich Störungen mit geringer Durchlässigkeit.

– Die Berechnungen haben folgende Durchlässigkeitsbeiwerte für den Buntsandstein ergeben:

– k

fh

= 3 · 10

–4

(B1) bzw. 7 · 10

–5

m/s (B2),

– k

fv

k

fh

, z. B. k

fv

= 10

–8

m/s.

5 Grundwasserabsenkung durch Brunnen

5.1 Berechnungsgrundlagen

Zur Dimensionierung der Brunnenanlage wurden ebenfalls dreidimensionale Sickerströmungsberechnungen durchgeführt. Mit dem FE-Netz aus der Nachrechnung der Pumpversuche kann auch die geplante Brunnengalerie simuliert werden. Die Berechnungsgrundlagen (Randbedingungen und simulierter Untergrundaufbau) entsprechen denjenigen der Sickerströmungsberechnungen für die Auswertung der Pumpversuche (Bild 18). Die Durchlässigkeitsbeiwerte für den Untergrund wurden entsprechend den Ergebnissen der Nachrechnung der Pumpversuche B1 und B2 gewählt.

Bild 18. Simulation Grundwasserabsenkung, FE-Netz und Randbedingungen

Es wurden je nach Berechnungsfall zwei bzw. drei Brunnenreihen im Bereich zwischen den Tunnelröhren simuliert. Die Brunnenreihe A2 bis A13 liegt in der Nähe der nördlichen Tunnelröhre. Die Brunnenreihe B1 bis B12 befindet sich in der Mitte zwischen den Tunnelröhren. Eine weitere Brunnenreihe liegt in der Nähe der südlichen Tunnelröhre (Bilder 1 und 19). Aufgrund dieser Anordnung ist es möglich, eine Symmetrieebene in der Brunnenachse der Brunnen B1 bis B12 anzunehmen und nur die Brunnen A2 bis A13 sowie die Brunnen B1 bis B12 mit einem halben Querschnitt nachzubilden (vgl. Bilder 18 und 19).

Bild 19. Simulation Grundwasserabsenkung, Lage der Brunnen und der Schnitte für die Auswertung

Die Randbedingungen für die Brunnen sind im Bild 20 dargestellt. Es wurde je nach Berechnungsfall eine Standrohrspiegelhöhe in den Brunnen von 280 bzw. 270 mNN vorgegeben. Damit wurde das Ziel berücksichtigt, den Wasserspiegel bis zum Niveau unterhalb der Tunnelsohle abzusenken. Die Tiefe der Brunnen wurde mit 40 m (bis ~265 mNN) bzw. 50 m (bis ~255 mNN) und der Durchmesser mit 420 mm simuliert.

Bild 20. Simulation Grundwasserabsenkung, Randbedingung Brunnen

Es wurden verschiedene Berechnungsfälle untersucht, in denen u. a. die Anzahl der Brunnen, die Standrohrspiegelhöhen in den Brunnen und die Tiefe der Brunnen variiert wurden.

5.2 Berechnungsergebnisse

Ausgewählte Ergebnisse der Berechnungen sind in den Bildern 21 bis 23 dargestellt. Nach den Ergebnissen für den Fall A, in dem 36 Brunnen mit einer Tiefe von 40 m und eine Absenkung in den Brunnen bis zu einem Niveau von 280 mNN simuliert wurden, wird die freie Wasseroberfläche auf 294,6 mNN und damit ungefähr auf das Niveau der Tunnelfirste abgesenkt (vgl. Bilder 21 und 22). Dieses resultiert aus der durch die horizontale Wechsellagerung bedingten Inhomogenität und Anisotropie des Gebirges und entspricht auch den Ergebnissen der Auswertung des Pumpversuchs, nach denen der Zufluss zu den Brunnen vorwiegend in horizontaler Richtung erfolgt und Restwasser in den Sandsteinschichten oberhalb der wenig durchlässigen Tonschichten verbleibt. Dieses Restwasser wird beim Vortrieb den Tunnelwandungen zufließen (vgl. Bild 10). Allerdings ist der Wasserdruck bis zum Niveau der Tunnelsohle gering (vgl. Bild 23, links). Geht man im Fall B von einer 10 m tieferen Absenkung in den Brunnen aus, ergeben sich eine größere Absenkung der freien Oberfläche und geringere Wasserdrücke im Bereich des Tunnelquerschnitts (vgl. Bild 23, rechts).

Bild 21. Simulation Grundwasserabsenkung, Fall A, Schnitt durch die Tunnelachse, Linien gleicher Standrohrspiegelhöhe

Bild 22. Simulation Grundwasserabsenkung, Fall A, Schnitt × 5.000, Linien gleicher Standrohrspiegelhöhe

Bild 23. Simulation Grundwasserabsenkung, Fälle A und B, Schnitt × 5.000, Linien gleichen Wasserdrucks

Aus den Berechnungen konnten die den einzelnen Brunnen zuströmenden Wassermengen ermittelt werden. Nach den Ergebnissen im Fall A ergibt sich beispielsweise eine maximale Wassermenge von ca. 85 m³/h für den Brunnen A13.

5.3 Schlussfolgerungen und Auslegung Brunnenanlage

Auf der Grundlage der Sickerströmungsberechnungen zur Dimensionierung der Brunnenanlage konnte die Anzahl und die Tiefe der Brunnen optimiert werden. Anstelle der ursprünglich in der Ausschreibung vorgesehenen 34 Brunnen [1] wurden 20 hergestellt. Davon wurden zwei bereits vorab für den Pumpversuch mit einer Tiefe von 40 m und einem Durchmesser von 324 mm eingerichtet. Die anderen Brunnen sind 50 bzw. 55 m tief und haben einen Durchmesser von 420 mm (Bild 24).

Bild 24. Ausgeführte Brunnengalerie

Die Ergebnisse der Berechnungen haben gezeigt, dass für die Brunnen in den Randbereichen eine größere Pumpenleistung vorgesehen werden sollte als für die Brunnen im mittleren Bereich. Den Berechnungen liegt, wie zuvor erläutert, ein homogenes Modell zugrunde, mit dem die Trennflächen „verschmiert“ berücksichtigt werden. In Abhängigkeit davon, wie viele wasserführende Klüfte mit den Bohrungen angeschnitten werden, können die dem Brunnen tatsächlich zufließenden Wassermengen kleiner, aber auch deutlich größer sein als berechnet. Unter Berücksichtigung dieser möglichen Abweichungen von den Berechnungsannahmen und unter Berücksichtigung eines Sicherheitszuschlags für den Fall einer Überflutung der Losseaue wurde empfohlen, für die Brunnen in den Randbereichen Pumpen mit einer Leistung von 120 m³/h und im mittleren Bereich mit einer Leistung von 30 bzw. 70 m³/h vorzusehen (Bild 24).

6 Vortriebskonzept

Es ist davon auszugehen, dass bei einem Hochwasser der Losse das Wasser über den abgedichteten Querschnitt hinaus ansteigt und die Losseaue überflutet wird. Die Leistungsfähigkeit der Brunnengalerie reicht in diesem Fall trotz des oben erwähnten Sicherheitszuschlags bei der Dimensionierung der Pumpenleistungen wahrscheinlich nicht mehr aus, das zuströmende Wasser abzupumpen. Da nicht auszuschließen ist, dass es im Buntsandstein auch vertikal durchlässigere Bereiche gibt, besteht die Gefahr, dass Wasser dann unkontrolliert dem Tunnel zuströmt.