Taschenbuch für den Tunnelbau 2020 -  - E-Book

Taschenbuch für den Tunnelbau 2020 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 2020 behandeln die Themenbereiche Geotechnische Untersuchungen, Konventioneller bergmännischer Tunnelbau, Digitalisierung im Tunnelbau, Maschinen und Geräte, Forschung und Entwicklung, Vertragswesen und betriebswirtschaftliche Aspekte sowie Praxisbeispiele.

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Seitenzahl: 251

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Inhaltsverzeichnis

Cover

Vorwort zum vierundvierzigsten Jahrgang

Autorenverzeichnis

Geotechnische Untersuchungen

I. Tunnelausbruch mit veränderlichen Abfalleigenschaften – Umgang mit pyrithaltigen Erdmassen im Projekt Stuttgart–Ulm

1 Die TVM-Tunnel der Neubaustrecke Wendlingen-Ulm

2 Herausforderung der Verwertung bzw. Beseitigung chemisch veränderlicher Tunnelausbruchmassen

3 Sulfatentstehung und Freisetzung durch Pyritoxidation

4 Verwertungsmöglichkeiten des veränderlichen Tunnelausbruchmaterials

5 Der Pyriterlass

6 Verwertung in Verwertungsstellen nach Pyriterlass

7 Verwertung direkt im Projektgebiet nach Pyriterlass

8 Verwertung in der keramischen Industrie

9 Vor dem Pyriterlass verwertetes pyrithaltiges Tunnelausbruchmaterial

10 Zusammenfassung

Konventioneller bergmännischer Tunnelbau

I. Injektionen zur Abdichtung von klüftigem Fels in der Umgebung der Tunnelröhren für das Bahnprojekt Stuttgart – Ulm

1 Aufgabenstellung

2 Unausgelaugter Gipskeuper

3 Planerische Vorgaben für die Injektionen im Anhydrit

4 Wahl des Injektionsmittels

5 Bauausführung und -überwachung

6 Ergebnisse der Injektionen

7 Zusammenfassung

Digitalisierung im Tunnelbau

I. BIM im Untertagebau – Gedanken zur DAUB-Empfehlung

1 Einleitung

2 Struktur der DAUB-Empfehlung

3 Anwendungsfälle im Detail

4 Fazit

Maschinen und Geräte

I. Schnecken- und Bandförderung beim maschinellen Tunnelvortrieb

1 Einleitung

2 Allgemeine Entwurfskriterien

3 Hauptkomponenten von Förderschnecke und -band

4 Aushubkontrolle

5 Zusammenfassung

Forschung und Entwicklung

I. Petersberg Tunnel: Tunnel-im-Tunnel-Methode – Pilotprojekt erstmalig mit Oberleitung

1 Einsatz der Tunnel-im-Tunnel-Methode bei der Deutschen Bahn

2 Projektvorstellung Petersberg Tunnel

3 Bauphasen

4 Konzeption Tunnelaufweitungssystem (TAS)

5 Konzeption Schutzeinhausung

6 Vortriebsklassen

7 Tunnelinnenschale

II. Qualitätssicherung für den Einsatz von PP-Faserbeton zur Verbesserung des Brand- und Abplatzverhaltens von Straßentunnelschalen

1 Einleitung

2 Herstellung von PP-Faserbeton

3 Dauerhaftigkeitsaspekte von PP-Faserbeton

4 Alterungsverhalten von PP-Fasern im alkalischen Milieu des Betons

5 Zusammenfassung

III. Zeitabhängiges Materialverhalten von Spritzbeton – Neues empirisches Modell für die Festigkeitsentwicklung und experimentelle Grundlagenuntersuchungen

1 Einleitung

2 Ansätze zur Beschreibung des zeitabhängigen Spritzbetonmaterialverhaltens

3 Entwicklung eines neuen empirischen Modells für die zeitabhängige Festigkeitsentwicklung von Spritzbeton

4 Experimentelle Untersuchungen zum zeitabhängigen Materialverhalten von Spritzbeton

5 Zusammenfassung und Ausblick

Vertragswesen und betriebswirtschaftliche Aspekte

I. Entwicklung eines Kostenmodells zur exakteren Abschätzung der Herstellkosten von Tunnelbauwerken – Teil 2

1 Einleitung

2 Entwicklung von Kostenstrukturen

3 Auswertung und Analyse der Praxisdaten

4 Weitere Hilfsmittel zur Kostenprognose einschließlich Validierung der betriebstechnischen Ausstattung

5 Zusammenfassung

Praxisbeispiele

I. Tunnelbau im Schwarzjura – Besondere Herausforderungen beim Vortrieb des Albvorlandtunnels

1 Einführung

2 Geologische Formation Schwarzjura

3 Vortriebe in Spritzbetonbauweise

4 Vortriebe in maschineller Bauweise

5 Verwertung und Entsorgung des Tunnelausbruchmaterials

II. Tunnel Feuerbach – Bergmännische Teilunterfahrung eines zweigeschossigen Überwerfungsbauwerks bei laufendem Bahnbetrieb

1 Einleitung

2 Geologie

3 Statische Untersuchung für Bestand und Vortrieb

4 Vortriebsablauf und Bestandssicherung

5 Monitoring

6 Fazit

Tunnelbaubedarf

1 Erd- und Gesteinsarbeiten

2 Transporteinrichtungen

3 Tunnelausbau

4 Belüftung beim Vortrieb

6 Entwässerung beim Vortrieb

9 Arbeitsschutz

10 Tunnelbetrieb

11 Tunnelbautechnische Beratung für Planung, Bau und Sanierung

12 Befestigung

14 Mess- und Prüfgeräte/-einrichtungen

15 Digitalisierung von Bauprozessen

Inserentenverzeichnis

Endbenutzer-Lizenzvereinbarung

Tabellenverzeichnis

Kapitel 1

Tabelle 1. Sulfatfrachten bei verschiedenen Konzentrationen und Durchlässigkeite...

Kapitel 2

Tabelle 1. Bereiche 62-V, 62-VE, 62-IV, 62-III und 61-IV, Ergebnisse der Injekti...

Kapitel 3

Tabelle 1. Beispielhafte Anwendungsfälle

Kapitel 6

Tabelle 1. PP-Fasern

Tabelle 2. Betonzusammensetzung für die Qualitätssicherung

Tabelle 3. Mischregime – PP-Faserzugabe „nass“

Tabelle 4. Mischregime – PP-Faserzugabe „trocken“

Tabelle 5. Versuchsergebnisse

Tabelle 6. Versuchsergebnisse Mikroskopie

Tabelle 7. Betonzusammensetzung – Dauerhaftigkeit

Tabelle 8. Verwendete Ausgangsstoffe – Dauerhaftigkeit

Tabelle 9. Oxidationsinduktionszeit (OIT) der aus dem Festbeton zurückgewonnenen...

Kapitel 8

Tabelle 1. Basisvarianten für die offene Bauweise von Straßentunneln

Tabelle 2. Randbedingungen für den Baugrund nach [7–9]

Tabelle 3. Entwickelte Kostenstruktur der offenen Bauweise

Tabelle 4. Vergleich der Kosten in den Projektphasen im Variantenvergleich

Tabelle 5. Vergleich der Berechnungsergebnisse mit dem jeweiligen Submissionserg...

Kapitel 10

Tabelle 1. Gebirgskennwerte für den ausgelaugten Gipskeuper

Tabelle 2. Beweissicherung und Monitoring von Bestandsanlagen

Tabelle 3. Bauwerk SSB-Überwerfungsbauwerk (offene Bauweise)

Tabelle 4. Lagesicherung Deckenplatte des Überwerfungsbauwerks (offene Bauweise)

Tabelle 5. Bauwerk Pragtunnel (bergmännische Bauweise)

Tabelle 6. Gleise Fernbahnzuführung, S-Bahn unter Überwerfungsbauwerk und durch ...

Tabelle 7. Gleise Stadtbahn auf Überwerfungsbauwerk

Tabelle 8. Masten Stadtbahn auf Überwerfungsbauwerk

Tabelle 9. Vortrieb

Illustrationsverzeichnis

Kapitel 1

Bild 1. Übersichtskarte PFA 2.1

Bild 2. Übersichtskarte PFA 2.2

Bild 3. Pyritknollen auf einzelnen Bruchstücken des Tunnelausbruchmaterials des ...

Bild 4. Korngrößenklassen und Durchlässigkeiten der Lockergesteine (Krapp 1979)

Bild 5. Sulfatfracht in Abhängigkeit von Durchlässigkeit und Sulfatkonzentration

Bild 6. Abhängigkeit der Sickerwassermenge von der Durchlässigkeit

Bild 7. Sulfatfrachten in Abhängigkeit des kf-Werts und der Ausgangskonzentratio...

Bild 8. Ansicht auf die Einbaufläche im Steinbruch Rösch im März 2018

Bild 9. Entnahme einer Stechzylinderprobe am Rand des Monokörpers zur Prüfung de...

Bild 10. Längsschnitt der Verfüllung Zwischenangriff Umpfental

Bild 11. Einbau von pyrithaltigem Material im Zugangstunnel Umpfental

Bild 12. Schichtenaufbau in der Seitenablagerung F8

Bild 13. Schichtenaufbau in der Seitenablagerung des Albvorlandtunnels

Bild 14. Beprobung des bereits eingebauten Tunnelausbruchs

Kapitel 2

Bild 1. Stuttgart 21, Tunnelabschnitte im anhydritführenden Gebirge

Bild 2. Unausgelaugter Gipskeuper, Gefügemodell und Kennwerte (Foto: Bauüberwach...

Bild 3. Unausgelaugter Gipskeuper: Durchlässigkeit in horizontaler Richtung, Erg...

Bild 4. Unausgelaugter Gipskeuper: Abschätzung der vertikalen Durchlässigkeit au...

Bild 5. Phänomene beim Tunnelbau im anhydritführenden Gebirge

Bild 6. Berechnungsergebnis der Erhöhung der Durchlässigkeit des Gebirges in ver...

Bild 7. Bautechnische Maßnahmen für den Ausbau der Tunnel im quellfähigen Gebirg...

Bild 8. Lageplan des Tunnels nach Ober- und Untertürkheim: Dammringe und Injekti...

Bild 9. Laborversuche für die Wahl des Einpressguts

Bild 10. WBIM-Anwendung für die Überwachung und Auswertung des Injektionserfolgs

Bild 11. Packerstellungen

Bild 12. Reihenfolge der Injektionsarbeiten für die Injektionsfelder 62-V, 62-VE...

Bild 13. Feld 62-VE

Bild 14. Feld 62-VE, Aufnahmemenge Fels je Bohrung [l], Abwicklung

Bild 15. Herstellung Dammring

Bild 16. Tunnelachse 62, Feld V: a) vor b) nach den Injektionen

Bild 17. Ergebnisse der Abpressversuche für die Tunnel nach Feuerbach und Bad Ca...

Kapitel 3

Bild 1. Aufbau und Struktur der mehrdimensionalen Planung

Bild 2. Entwicklungsphasen in die digitale Welt

Bild 3. Fach- und Teilmodelle

Bild 4. LoG bei konventionellem Vortrieb

Bild 5. LoG bei maschinellem Vortrieb

Bild 6. BIM-Rollen und Zusammenarbeit

Kapitel 4

Bild 1. Hauptkomponenten des Schneckenförderers

Bild 2. Förderschnecken- und Schilddurchmesser für verschiedene ausgewählte Tunn...

Bild 3. Hydraulikmotor der Förderschnecke

Bild 4. Leistung des Schneckenförderers und Schilddurchmesser für verschiedene a...

Bild 5. Förderbandbreiten und Schilddurchmesser für ausgeführte Tunnelbauprojekt...

Bild 6. Bandneigungswinkel α unterhalb der Bandaufgabestelle des Förderschnecken...

Bild 7. Neigung des Förderbandquerschnitts

Bild 8. Vertikaltransport Startschacht: a) ein durchgehendes System, bei dem das...

Bild 9. Förderschnecke mit den zwei Betriebsstellungen: a) vorgeschoben; b) zurü...

Bild 10. Wartungsdeckel am Schneckenrohr: a) geschlossen; b) offen; Verschleißel...

Bild 11. a) Verschleißschutz für die Förderschnecke und Schneckenrohre; b) Schne...

Bild 12. a) Schneckenauslass mit Abwurfschieber; b) Materialaustritt im Vortrieb

Bild 13. a) Bandabwurf; b) Antriebsstation

Bild 14. a), b) Bandspeicher; c) Montage einer kompletten Tragstruktur; d) Einba...

Bild 15. Bandübergabe mit Umkehre und Aufgabestelle

Bild 16. Befestigung der Förderbandtragstruktur an den Tübbingen im Tunnel: a) ü...

Bild 17. Sicherheitseinrichtungen: a) Kameras an den Bandübergaben und Abwurf; b...

Bild 18. Aushub-Monitoring bei EPB-/TVM-Vortrieben [5]

Bild 19. Aushub-Monitoring bei EPB-Schilden: a) Visualisierung Steuerstand; b) G...

Kapitel 5

Bild 1. Baustelle am Südportal

Bild 2. Einzelne Bauphasen bei der Anwendung der Tunnel-im-Tunnel-Methode 113

Bild 3. Längsschnitt des TAS

Bild 4. TAS (beweglich) mit Einhausung (fest stationiert)

Bild 5. Sprengvortrieb

Bild 6. Vortrieb mittels Bohrhammer

Bild 7. TAS über der Schutzeinhausung

Bild 8. VKL 4A1 (gleichzeitiger Ausbruch Gewölbe und Widerlager)

Bild 9. VKL 6A4 (versetzter Ausbruch Gewölbe und Widerlager)

Bild 10. Ausbau TAS in nächtlicher Sperrpause

Kapitel 6

Bild 1. Betonmischer

Bild 2. Faserquetschung und -einschnitt: a) Faser A18/6B; b) Faser C32/6B

Bild 3. Ausbreitmaß für die Versuche 1 bis 19

Bild 4. Luftgehalt im Frischbeton für die Versuche 1 bis 19

Bild 5. Ergebnisse infolge Versuche mit der Betonfilterpresse

Bild 6. Druckfestigkeiten der Betone

Bild 7. Spaltzugfestigkeiten der Betone

Bild 8. Porosität der Betone mit unterschiedlichen PP-Fasertypen, Referenzbeton ...

Bild 9. Maximale Wassereindringtiefe für die Versuche 1 bis 19

Bild 10. Chloridmigrationskoeffizienten, Versuche 1 bis 19

Bild 11. Chloridmigrationskoeffizienten bei PP-Faserbetonen mit 2,0 kg/m3 Faserg...

Bild 12. Maximale Abwitterungsmenge für die Versuche 1 bis 19

Bild 13. Oberflächenbeschaffenheit nach der Frostprüfung: a) Prüfkörper ohne Fas...

Bild 14. Wiederfindungsrate der PP-Fasern nach der Alterung

Kapitel 7

Bild 1. Frühfestigkeitsklassen J1, J2 und J3 von jungem Spritzbeton nach [3]

Bild 2. Darstellung der normierten Spritzbetonfestigkeiten nc über erweiterte Bo...

Bild 3. Empirisches Prognosemodell für Spritzbetonfestigkeiten

Bild 4. Normierte Spritzbetonfestigkeiten der Modelle nach [8–11, 14, 16–18], in...

Bild 5. Übersicht Versuchsmatrix: Prüfalter, Normen und Randbedingungen der Unte...

Bild 6. Schema des Spritzbetonversuchsstands (Lehrstuhl für Tunnelbau, Leitungsb...

Bild 7. a) Spritzbetonpalette vor dem Versuch; b) gespritzte Palette

Bild 8. Doppellogarithmische Darstellung der zeitabhängigen Frühfestigkeitsentwi...

Bild 9. Zeitabhängige Entwicklung der Spritzbetondruckfestigkeit fc; Quadrate: F...

Bild 10. Normierter Festigkeitsverlauf der Versuchsreihe mit Nennfestigkeit fck ...

Bild 11. Versuchsergebnisse der zeitabhängigen Entwicklung des E-Moduls im Vergl...

Bild 12. Zeitabhängiger Verlauf der Zugfestigkeit; Dreiecke: geprüfter Wert der ...

Bild 13. Entwicklung der absoluten Dehnung der fünf Spritzbetonproben SpB IV-1 b...

Bild 14. Nachgiebigkeitsfunktionen der Probekörper SpB IV-1 bis SpB IV-3 und SpB...

Kapitel 8

Bild 1. Bieterpreisbandbreiten der offenen Bauweise und der betriebstechnischen ...

Bild 2. Kostendiagramm RQ 10,5T (11t), offene Bauweise

Bild 3. Kostendiagramm Gegenverkehrstunnel, betriebstechnische Ausstattung mit V...

Bild 4. Eingabemaske Kostenberechnungs-Tool betriebstechnische Ausstattung

Bild 5. Häufigkeitsverteilung der Gesamtsumme der betriebstechnischen Ausstattun...

Bild 6. Ergebnis der Sensitivitätsanalyse (16 Positionen) als prozentualer Beitr...

Kapitel 9

Bild 1. Die Vortriebsphasen für das Anbindungsbauwerk (DB PSU)

Bild 2. Baustelleneinrichtungsplan des Baufelds BE West (Implenia AG) 210

Bild 3. Baufeld BE West aus der Luft (BSU Multimedia)

Bild 4. Tunnelbagger bei Vortriebsarbeiten im Albvorlandtunnel (Prof. Kirschke)

Bild 5. Anbindungsbauwerk (Prof. Kirschke)

Bild 6. Die TVM Wanda (Herrenknecht AG)

Bild 7. Baustelleneinrichtungsplan des Baufelds BE Ost (Implenia Construction Gm...

Bild 8. Baufeld BE Ost aus der Luft (BSU Multimedia) 218

Bild 9. Eingehaustes Förderband mit Kalkung (Prof. Kirschke)

Bild 10. Messsystem zur Autobahnunterfahrung (DB PSU)

Bild 11. Herstellung der Verbindungsbauwerke (Implenia Construction GmbH)

Bild 12. Multi Service Vehicle (MSV) (Implenia Construction GmbH)

Bild 13. Entwicklung des Sulfatgehalts im Ausbruchmaterial bei niedrigen Tempera...

Bild 14. Einbau des Tunnelausbruchmaterials gemäß Pyrit-Erlass in einem Steinbru...

Kapitel 10

Bild 1. Übersicht PFA 1.5, Los 2, Tunnel Feuerbach und Überwerfungsbauwerk (DB P...

Bild 2. Ansicht Überwerfungsbauwerk, Blickrichtung Hauptbahnhof entgegen Vortrie...

Bild 3. Querschnitt am Vortriebsende des Übergangs zur bergmännischoffenen Bauwe...

Bild 4. Geo- und tunnelbautechnischer Längsschnitt mit zugehörigem Gefügemodell ...

Bild 5. Statische Abbildung der Annäherung des Vortriebs an das Überwerfungsbauw...

Bild 6. Untersicht der Deckenplatte des Überwerfungsbauwerks entlang des Unterfa...

Bild 7. Bauphasen unter Tage

Bild 8. Bauphase 3: Hybridvortrieb, einhüftiger Ulmenstollenvortrieb, Abbrucharb...

Bild 9. Querschnitt aus Vortriebsklasse 7A-U-3 Restvortrieb, Bauphase 3 (Ulme re...

Bild 10. Längsschnitt aus Vortriebsklasse 7A-U-3 Restvortrieb, Bauphase 3 (Ulme ...

Bild 11. Ansicht Überwerfungsbauwerk mit Deckenplatte und Winkelstützmauer mit H...

Bild 12. Ansicht Hubpresse und Fissurometer am Bestandslager mit Koordinatensyst...

Bild 13. Lageplan mit Monitoring der Bauwerke und Anlagen

Bild 14. Fissurometermessung: Auswertung Setzungen (Z-Geber)

Bild 15. Fissurometermessung: Auswertung Querverschiebung (Y-Geber)

Bild 16. Handlungsplan und Meldekette für Gleise und Überwerfungsbauwerk der SSB...

Bild 17. Handlungsplan und Meldekette für Gleise und Überwerfungsbauwerk der DB ...

Orientierungspunkte

Cover

Inhaltsverzeichnis

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Seitenliste

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I

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Taschenbuch für den Tunnelbau 2020

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. M. Breidenstein

Dr. S. Franz

Dipl.-Ing. W.-D. Friebel

Prof. Dr.-Ing. A. Hettler

Prof. Dr.-Ing. B. Maidl

Dipl.-Ing. M. Meissner

Dipl.-Ing. E. Scherer

Dipl.-Ing. S. Schwaiger

Prof. Dr.-Ing. M. Thewes

Dr.-Ing. G. Wehrmeyer

Dr.-Ing. B. Wittke-Schmitt

44. Jahrgang

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

© 2020 Wilhelm Ernst & Sohn, Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Rotherstraße 21, 10245 Berlin, Germany

Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Fotokopie, Mikrofilm oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden.

All rights reserved (including those of translation into other languages). No part of this book may be reproduced in any form – by photoprinting, microfilm, or any other means – nor transmitted or translated into a machine language without written permission from the publisher.

Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, daß diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie als solche nicht eigens markiert sind.

Herstellung: pp030 – Produktionsbüro Heike Praetor, Berlin

Satz: Reemers Publishing Services GmbH, Krefeld

Print ISBN: 978-3-433-03278-7

ePDF ISBN: 978-3-433-61004-6

ePub ISBN: 978-3-433-61003-9

oBook ISBN: 978-3-433-61002-2

Vorwort zum vierundvierzigsten Jahrgang

In den aktuellen Klimadebatten erhofft man sich durch verstärkte Nutzung des öffentlichen Personennahverkehrs (ÖPNV) und der Eisenbahn anstelle von individuellem Autoverkehr und Kurzflügen erheblich geringere CO2-Emmissionen. Dazu müssen ÖPNV und Bahn aber leistungsfähiger, zuverlässiger, komfortabler und sicherer werden als sie heute sind. Die bestehenden Systeme arbeiten an ihren Kapazitätsgrenzen; höhere Transportkapazitäten lassen sich nicht allein durch Digitalisierung erreichen, sondern erfordern einen massiven Ausbau der Infrastruktur. Aus Platz-, Umwelt- und Lärmschutz- sowie Akzeptanzgründen wird der Anteil der unterirdisch geführten Strecken dabei zunehmen. Das führt den Tunnelbau jedoch nicht automatisch in eine rosige Zukunft. Erstens müssen solche Großprojekte finanzierbar sein und zweitens werden die Anforderungen an die Tunnelbauer steigen. Es werden schnellere Planung und Ausführungen bei möglichst reduziertem Ressourceneinsatz erwartet und sicher auch belastbare Kostenprognosen gefordert. Zur Bewältigung der zukünftigen Herausforderungen müssen daher die Optimierungspotenziale in allen Bereichen erkannt und genutzt werden.

Das Taschenbuch für den Tunnelbau greift seit vielen Jahren die aktuellen Entwicklungen und Problemstellungen auf und dokumentiert den erreichten Stand der Technik. In bewährter Weise haben Herausgeberbeirat und Verlag für die vorliegende Ausgabe einen interessanten Themenmix zusammengestellt. Die diesjährige Ausgabe umfasst Beiträge aus den Bereichen geotechnische Untersuchungen, konventioneller bergmännischer Tunnelbau, Digitalisierung im Tunnelbau, Maschinen und Geräte, Vertragswesen und betriebswirtschaftliche Aspekte, Forschung und Entwicklung sowie Praxisbeispiele.

Wir wünschen Ihnen eine interessante Lektüre und freuen uns über Rückmeldungen und Beitragsvorschläge für zukünftige Ausgaben. Wenden Sie sich dazu bitte an den Verlag Ernst & Sohn.

Dr.-Ing. B. Wittke-Schmitt

Dr. rer. nat. K. Laackmann

Autorenverzeichnis

Prof. Dr.-Ing. Frank Dehn, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), Kaiserstr. 12, 76131 Karlsruhe

Dr.-Ing. Michael Eckl, EDR GmbH, Dillwächterstr. 5, 80686 München

Dipl.-Ing. Heinz Ehrbar, DB Netz AG, Theodor-Heuss-Allee 7, 60486 Frankfurt am Main

Dipl.-Ing. Matthias Florax, PFA 1.5, DB Projekt Stuttgart–Ulm GmbH, Schlegelstr. 6, 71229 Leonberg

Dipl.-Ing. Michael Frahm M. Eng, LL.M, DB Projekt Stuttgart–Ulm GmbH, Räpplenstr. 17, 70191 Stuttgart

Dr.-Ing. Stefan Franz, DEGES Deutsche Einheit Fernstraßenplanungs- und -bau GmbH, Zimmerstr. 54, 10117 Berlin

Dipl.-Ing. Wolf-Dieter Friebel, Bundesministerium für Verkehr und digitale Infrastruktur (BMVI), Robert-Schuman-Platz 1, 53175 Bonn

Dr.-Ing. Andreas Groten, Implenia Construction GmbH, Infrastructure – Tunnelling & Civil Engineering D/Sk, Projekt Albvorlandtunnel – Los 2, Nürtinger Str. 50, 73240 Wendlingen am Neckar

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. mont. Robert Galler, Lehrstuhl für Subsurface Engineering, Montan Universität Leoben, Erzherzog-Johann-Str. 3/III, A-8700 Leoben

Dr. Daniela Garroux G. de Oliveira, Herrenknecht AG, Schlehenweg 2, 77963 Schwanau

Dipl.-Ing. Jens Hallfeldt, DB Projekt Stuttgart–Ulm GmbH, Räpplenstr. 17, 70191 Stuttgart

Dr.-Ing. Anna-Lena Hammer, Lehrstuhl für Tunnelbau, Leitungsbau und Baubetrieb, Ruhr-Universität Bochum, Universitätsstr. 150, 44801 Bochum

Dipl.-Ing. Niklas Hirche, Alfred Kunz Untertagebau, Frankfurter Ring 213, 80807 München

M. Eng. Peter Hoffmann, Lehrstuhl für Tunnelbau, Leitungsbau und Baubetrieb, Ruhr-Universität Bochum, Universitätsstr. 150, 44801 Bochum

Dipl.-Ing. Reinhard Huber, Müller + Hereth Ingenieurbüro für Tunnel- und Felsbau GmbH, Laufener Str. 16, 83395 Freilassing

Dipl.-Ing. Ingo Kaundinya, Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), Brüderstraße 53, 51427 Bergisch Gladbach

Prof. Dr.-Ing. Dieter Kirschke, Prof. Dr.-Ing. Dieter Kirschke GmbH & Co. KG, Gutenbergstr. 9, 76275 Ettlingen

Dipl. Wirt.- Ing. Anne Lehan, Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), Brüderstraße 53, 51427 Bergisch Gladbach

Prof. Dr.-Ing. Dietmar Mähner, Institut für unterirdisches Bauen (IuB), Corrensstr. 25, 48149 Münster

Dipl. Ing. Jörg-Rainer Müller, DB Projekt Stuttgart–Ulm GmbH, Räpplenstr. 17, 70191 Stuttgart

Dipl.- Ing. Thomas Mußotter DB Projekt Stuttgart–Ulm GmbH, Räpplenstr. 17, 70191 Stuttgart

Dipl.-Ing. Marko Orgass, MFPA Leipzig GmbH, Hans-Weigel-Str. 2B, 04319 Leipzig

Dipl.-Ing. Günter Osthoff, DB Projekt Stuttgart–Ulm GmbH, Räpplenstr. 17, 70191 Stuttgart

Dipl.-Ing. Mike Rammelt, Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), Brüderstr. 53, 51427 Bergisch Gladbach

Dipl.-Ing. Werner Riepe, BUNG Ingenieure AG, Englerstraße 4, 69126 Heidelberg

Dipl.-Ing. Dagmar Rombach, Müller + Hereth Ingenieurbüro für Tunnel- und Felsbau GmbH, Laufener Str. 16, 83395 Freilassing

Christine Schardt M.Eng., DB Netz AG, Hahnstr. 49, 60528 Frankfurt a. Main

M. Sc. Markus Scheffer, SD Ingenieure GmbH, Lise-Meitner-Allee 11, 44801 Bochum

Dipl.-Ing. Dieter Schmitt, WBI GmbH, Im Technologiepark 3, 69469 Weinheim

Dipl.- Ing. Katrin Schumacher, Prof. Czurda und Partner Ing. GmbH, , Auf der Breit 11, 76227 Karlsruhe

Dipl. Ing. (Univ.) Bodo Tauch, DB Netz AG, Hahnstr. 49, 60528 Frankfurt a. Main

Prof. Dr.-Ing. Markus Thewes, Lehrstuhl für Tunnelbau, Leitungsbau und Baubetrieb, Ruhr-Universität Bochum, Universitätsstr. 150, 44801 Bochum

Dr.-Ing. Götz Vollmann, Lehrstuhl für Tunnelbau, Leitungsbau und Baubetrieb, Ruhr-Universität Bochum, Universitätsstr. 150, 44801 Bochum

Dr. Gerhard Wehrmeyer, Herrenknecht AG, Schlehenweg 2, 77963 Schwanau

Dr.-Ing. Thorsten Weiner, PORR GmbH & Co. KGaA, Franz-Rennefeld-Weg 2–4, 40472 Düsseldorf

Dr.-Ing. Martin Wittke, WBI GmbH, Im Technologiepark 3, 69469 Weinheim

Prof. Dr.-Ing. Walter Wittke, WBI GmbH, Im Technologiepark 3, 69469 Weinheim

Dipl.-Ing. Andreas Wuttig, Schüßler-Plan Ingenieurgesellschaft mbH, Sankt-Franziskus-Straße 148, 40470 Düsseldorf

Geotechnische Untersuchungen

I.Tunnelausbruch mit veränderlichen Abfalleigenschaften – Umgang mit pyrithaltigen Erdmassen im Projekt Stuttgart–Ulm

Jörg-Rainer Müller, Thomas Mußotter, Katrin Schumacher

Die Neubaustrecke Wendlingen–Ulm mit einer Streckenlänge von ca. 60 km wird rund zur Hälfte in Tunneln geführt und zu einem Großteil mit der Tunnelvortriebsmaschine (TVM) aufgefahren. Während der Bauausführung wurde festgestellt, dass der Sulfatgehalt des Tunnelausbruchmaterials zwischen Ausbruch und Ablagerung durch Pyrit-Oxidation zunimmt. Daher wurden mit den Behörden und allen anderen Beteiligten für die Entsorgung des Tunnelausbruchmaterials verschiedene Lösungen wie die Verwertung im Projektgebiet sowie in der keramischen Industrie entwickelt. Mit dem Ziel, trotz der zeitlichen Veränderlichkeit des Sulfatgehalts eine Ablagerung der Tunnelausbruchmassen auf Verwertungsstellen gemäß Erstdeklaration zu ermöglichen, wurde zusätzlich vom Umweltministerium von Baden-Württemberg am 7. April 2017 der sogenannte Pyriterlass veröffentlicht. Damit wurde in Abstimmung mit dem Umweltministerium Baden-Württemberg ein Weg für die fachlich und rechtlich sinnvolle und sichere Bewertung von als Abfall eingestuftem Bodenmaterial mit veränderlichen Eigenschaften (Sulfat) geschaffen. Beim Bau des Boßlertunnels sowie des Albvorlandtunnels konnten umfangreiche Erfahrungen bei der Umsetzung des Pyriterlasses und der Ausweitung auf andere veränderliche Parameter sowie bei der Verwertung im Projektgebiet gesammelt werden.

Tunnel spoil with changeable waste properties – dealing with earth masses containing pyrite on the Stuttgart–Ulm project

About half of the new line from Wendlingen to Ulm with a length of about 60 km will run in tunnels, which are mostly being bored with tunnel boring machines (TBM). During construction, it was discovered that the sulphate content of the material excavated from the tunnel increases between excavation and deposition due to pyrite oxidation. Therefore, various solutions were developed with the authorities and all other involved parties for the disposal of the tunnel spoil like reuse in the project area and in the ceramics industry. Furthermore, the so-called pyrite decree was published by the environment ministry of Baden-Württemberg on 7 April 2017 with the objective of enabling the deposition of tunnel spoil at reuse sites in accordance with an initial declaration despite the temporal changeability of the sulphate content. Thus, a way was found in agreement with the environment ministry of Baden-Württemberg for the proper and legally sensible and safe recycling of the soil material classified as waste with changeable properties (sulphate content). For the construction of the Boßler Tunnel and the Albvorland Tunnel, extensive experience could be gained with the implementation of the pyrite decree and its extension to other changeable parameters as well as reuse within the project area.

1 Die TVM-Tunnel der Neubaustrecke Wendlingen–Ulm

Das Bahnprojekt Stuttgart–Ulm gliedert sich in zwei Teilprojekte:

– Das Projekt Stuttgart 21 mit insgesamt acht Planfeststellungsabschnitten (PFA),

– Die Neubaustrecke Wendlingen–Ulm mit insgesamt fünf PFA [1].

Die Hälfte der 60 km langen Neubaustrecke führt durch neun Tunnel, ansonsten folgt sie in enger Bündelung der parallelen Bundesautobahn (BAB) A8.

An der Neckarbrücke bei Wendlingen beginnt der erste PFA der Neubaustrecke Wendlingen–Ulm, der PFA 2.1 a/b (Bild 1). Die beiden eingleisigen Tunnelröhren des 8,2 km langen Albvorlandtunnels werden von zwei parallel bohrenden Tunnelvortriebsmaschinen (TVM) aufgefahren und unterqueren die BAB A8. Anschließend folgt der 5 km lange Planfeststellungsabschnitt PFA 2.1c.

Im darauffolgenden 15 km langen PFA 2.2 (Bild 2) erklimmt die Neubaustrecke die Schwäbische Alb. Zunächst erfolgt der Anstieg im 8,8 km langen Boßlertunnel, anschließend im 4,8 km langen Steinbühltunnel. Zwischen den beiden Tunneln quert die Strecke bei Mühlhausen im Täle das Filstal. Der Boßlertunnel wurde mit einer TVM aufgefahren, die beide Röhren nacheinander hergestellt hat.

Bild 1. Übersichtskarte PFA 2.1

Bild 2. Übersichtskarte PFA 2.2

Die beiden TVM-Tunnel der Neubaustrecke Wendlingen–Ulm durchfahren Schichten des Braunen, Schwarzen und des unteren Weißen Juras und weisen dabei bindige Ton- und Mergelschichten mit reduzierendem Milieu auf. Bei beiden Tunnelbaumaßnahmen fallen ca. 10 Mio. t Tunnelausbruchmaterial an, das einer Beseitigung bzw. Verwertung zugeführt werden muss.

2 Herausforderung der Verwertung bzw. Beseitigung chemisch veränderlicher Tunnelausbruchmassen

Im Sommer 2016 nach rund 70 % Vortrieb in der Oströhre des Boßlertunnel und der damit verbundenen Verwertung von rund 1,5 Mio. t Material erfolgte die Rückmeldung einer Verwertungsstelle, dass die Sulfatgehalte des bereits eingelagerten Materials nicht mehr der ursprünglichen Deklaration Z0 (Sulfat < 50 mg/l) entsprechen und das Material höhere Sulfatgehalte aufweist als für diesen Standort zulässig.

Mit diesem Wissen erfolgten zunächst mehrere Nachkontrollen und Überprüfungen der Laborergebnisse, die jedoch alle den Sachverhalt des erhöhten Sulfatgehalts in dieser spezifischen Verwertungsstelle bestätigten. Als erster Maßnahmenschritt wurde die Entsorgung von der Baustelle eingestellt und der Vortrieb bis zur Klärung der Ursache für zwei Wochen unterbrochen. Darüber hinaus wurden bei weiteren Verwertungsstellen Laboruntersuchungen durchgeführt und alle bisher angefahrenen Standorte zur Fremdüberwachung aufgefordert. In Summe war nach allen Untersuchungen vor Ort, Laboruntersuchungen sowie mineralogischen Untersuchungen festzustellen, dass es sich bei dem Sulfatgehalt im Ausbruch des Boßlertunnel um einen veränderlichen Parameter handelt und sich die Einstufung der Verwertung im Laufe der Zeit verändern kann.

Das Material der Oströhre war in über 30 Standorten verteilt. Etwa ein Drittel der Menge (0,5 Mio. t) wurde in Baden-Württemberg und ca. zwei Drittel (1 Mio. t) in Bayern mit Entfernungen von 15 bis über 250 km vom Entstehungsort abgelagert. Ein Großteil dieser Mengen hatte nach Überprüfung der Fremdüberwachung erhöhte Sulfatgehalte gegenüber den Erstdeklarationen auf der Baustelle. Die Ursache dafür war die sog. Pyritoxidation, und dieser Umstand war zudem unabhängig von den verschiedenen geologischen Einheiten im Boßlertunnel. Diese geologischen Einheiten enthalten Pyrit (Eisensulfid, FeS2) in Zehntelmillimeter bis millimeterfeinen Konkretionen (Bild 3), Aggregaten oder Überzügen von Mineralkörnern (z. B. Quarz), das sich zu Sulfat umwandelt.

Mit diesem vertieften Wissen waren nunmehr zwei Hauptthemen zu lösen.

– Der technische und umwelt-/abfallrechtliche Umgang mit dem Material in den bereits belieferten Verwertungsstellen bei Überschreitungen des zulässigen Sulfatgehalts.

– Die Lösungsfindung für die Verwertung des noch auszubrechenden Materials der Oströhre und der kompletten Weströhre mit rund 3 Mio. t Ausbruchmaterial sowie des Materials des Albvorlandtunnels entsprechend der Gesetzeslage.

Als Grundlage dafür musste für das Ausbruchmaterial zunächst ein Prozessverständnis für die veränderlichen Sulfatgehalte und den zu erwartenden Einfluss auf das Schutzgut Grundwasser geschaffen werden.

Bild 3. Pyritknollen auf einzelnen Bruchstücken des Tunnelausbruchmaterials des Albvorlandtunnels

3 Sulfatentstehung und Freisetzung durch Pyritoxidation

In den angetroffenen Formationen ist das sulfidische Mineral Pyrit über geologische Zeiten stabil. Insoweit erbrachte die Bodenuntersuchung zur Deklaration des Ausbruchmaterials im Hinblick auf den Sulfatgehalt in der Planungsphase der Trasse keine Auffälligkeiten.

Durch den Abbau während des Tunnelvortriebs wird das Pyrit stark mechanisch beansprucht, die feinkörnigen Pyritaggregate werden weiter zerkleinert und die reaktiven Oberflächen vergrößert. Durch diese mechanische Beanspruchung wird die Oxidation aktiviert, die sich durch die Lagerung an der Luft, durch Niederschläge und ggf. unterstützt durch Aufheizung durch Sonneneinstrahlung fortsetzt. Aus FeS2 entsteht durch die Reaktion mit Sauerstoff Sulfat [SO4]2−. Dieser Prozess kann nach den bisher gemachten Erfahrungen nach mehreren Tagen bis wenigen Wochen beginnen, sodass ihn die zeitnah durchzuführende Beprobung für die Erstdeklarationsanalyse noch nicht bzw. noch nicht im vollen Umfang erfasst. Die Deklarationsergebnisse für Sulfat waren i. d. R. auf der Baustelle Z0. Je nach Randbedingungen kann sich das nach mehreren Tagen bis Wochen ändern, und bei Kontrollanalysen wurden z. T. deutlich höhere Sulfatgehalte im Bereich von Z1.2 bis Z2 (≤ 150 mg/l), teils auch über Z2 (> 150 mg/l) festgestellt.

Mineralogische Untersuchungen haben ergeben, dass z. B. der Impressamergel des unteren Weißen Jura lediglich ca. 0,8 M.-% Pyrit enthält, aus dem theoretisch ca. 1,2 M.-% Sulfat entstehen können, d. h. je Tonne feuchten Bodens ca. 11 kg. Die vollständige Umwandlung des Pyrits in Sulfat im wieder eingebauten Zustand des Bodens würde selbst in geologischen Zeiträumen einen nicht zu erwartenden absoluten Worst Case darstellen. Offensichtlich ist nicht unbedingt ein hoher Pyritgehalt im Bereich mehrerer Masseprozente für die Höhe der Sulfatfreisetzung primär entscheidend, sondern eher eine feine Verteilung und damit einhergehend große Oberflächen.

Nach der Feststellung der Pyritthematik wurden umfangreiche Untersuchungen durchgeführt (u. a. Probefelder), um den zeitliche Verlauf, die Randbedingungen und die zu erwartenden Konzentrationen an Sulfat einordnen zu können. Als Ergebnis von weit über hundert Sulfatanalysen in Zeiträumen von einigen Tagen nach Ausbruch bis über ein Jahr zurückliegend bleibt festzuhalten, dass je nach Randbedingungen eine relativ große Streuung zwischen Z0 und > Z2 festzustellen war. Im Mittel war am Boßlertunnel mit Z2 bis 150 mg/l zu rechnen, Einzelwerte lagen zwischen 200 und 300 mg/l.

Einflussfaktoren sind, neben dem Pyritgehalt, vor allem wie feinkörnig das Pyrit aufgeschlossen ist (Oberflächen), die Lagerungsdichte (verdichtet oder locker eingebaut), die Exposition der Lagerung (flächige Schicht oder Halde, oberflächennah oder in größerer Tiefe) und als Folge ungehinderte oder behinderte Sauerstoff- und Niederschlagswasserzutritte sowie der zeitliche Verlauf von Entnahme, Zwischenlagerung und Einbau.