Taschenbuch für den Tunnelbau 2021 E-Book

• Herausgeber: Ernst, Wilhelm & Sohn
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Taschenbuch Tunnelbau
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2021

Seitenzahl: 325

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 2021 behandeln die Themenbereiche Konventioneller bergmännischer Tunnelbau, Maschineller Tunnelbau, Maschinen und Geräte, Baustoffe und Bauteile, Forschung und Entwicklung, Digitalisierung im Tunnelbau, Vertragswesen und betriebswirtschaftliche Aspekte sowie Praxisbeispiele.

Leseprobe

Inhaltsverzeichnis

Cover

Titelblatt

Urheberrechte

Vorwort zum fünfundvierzigsten Jahrgang

Autorenverzeichnis

Konventioneller bergmännischer Tunnelbau

I: Bahnprojekt Stuttgart–Ulm, Anfahrbereich HBF Süd:

1 Einleitung

2 Projekt

3 Baugrundverhältnisse

4 Planung für Ausbruch und Sicherung

5 CGV-Maßnahme

6 Bauausführung

7 Zusammenfassung

II: Abdichtung druckwasserhaltender Eisenbahntunnel mit Kunststoffdichtungsbahnen in Deutschland – Diskussions-beitrag zu einer planmäßigen Blockhinterlegung

1 Einleitung

2 Begriffsdefinitionen

3 Dichtigkeitsanforderungen und konstruktive Umsetzung bei konventionell hergestellten Tunnelbauwerken in Deutschland

4 Internationaler Vergleich des Abdichtungssystems

5 Diskussion zu abdichtungsrelevanten Faktoren

6 Diskussion zum Konzept des Prüf- und Injektionssystems

7 Diskussion zur Zweckmäßigkeit einer planmäßigen Blockhinterlegung zur Bewältigung aktueller Herausforderungen bzgl. des Abdichtungssystems

8 Zusammenfassung und Ausblick

III: Herstellung einer hochbewehrten Innenschale im anhydritführenden Gebirge des Tunnels Feuerbach

1 Einleitung

2 Untergrund und Grundwasser

3 Tunnelbautechnische Maßnahmen für den Vortrieb und die Innenschalen im quellfähigen Gipskeuper

4 Abdichtung entlang der Tunnelröhre

5 Bewehrung Innenschale im quellfähigen Gebirge

6 Neues Tragsystem für die Bewehrung: Gebetteter Spannbogen GSR

7 Beton einer metrigen Innenschale

8 Temporäre Edelstahldurchdringungen

9 Fazit

Maschineller Tunnelbau

I: Herstellung von Anlandungsstrecken von Unterwasser-Gaspipelines im Rohrvortrieb

1 Einleitung

2 Projekt Nord Stream 2 im Überblick

3 Besonderheiten dieses Projekts gegenüber konventionellen Rohrvortriebsbaustellen

4 Herstellung der Pressgruben

5 Rohrvortrieb und Besonderheiten bei der Planung und Ausführung

6 Schlussbemerkungen

Maschinen und Geräte

I: DAUB-Empfehlung zur Auswahl von Tunnelbohr-maschinen – Vorgehensweise und Beispiele

1 Einleitung

2 Anwendung und Struktur der Empfehlung

3 Einteilung von Tunnelbohrmaschinen (TBM)

4 Baugrund- und Systemverhalten

5 Anwendungsbeispiele

6 Abschließende Bemerkungen

Baustoffe und Bauteile

I: Verwertung von Ausbruchmaterial bei maschinellen Tunnelvortrieben im Lockergestein

1 Einleitung

2 Eigenschaften von Tunnelausbruchmaterial

3 Maßnahmen zur Aufbereitung und Verwertung

4 Interessengruppen und Randbedingungen

5 Praxisbeispiele

6 Schlussfolgerungen

Forschung und Entwicklung

I: Aerodynamische Aspekte moderner Eisenbahntunnel

1 Einführung

2 Druckwellen

3 Luftströmungen

4 Tunnelknall

5 Betriebliche Situationen

6 Auswirkungen auf Tunneleinbauten

7 Auswirkungen auf Fahrzeuge

8 Auswirkungen auf Personen

Digitalisierung im Tunnelbau

I: BIM-Pilotprojekt an der östlichen Tunnelkette A 44 in Hessen

1 Vorbemerkung

2 Die Modellierungsaufgabe

3 Anwendungsfälle

4 Vergabestrategie für die Bauleistung

5 Fazit und Ausblick

Praxisbeispiele

I: Unterirdischer Wendevorgang einer Hartgesteins-Schildmaschine in 20 Tagen – ein Erfahrungsbericht aus dem Fildertunnel

1 Einleitung

2 Der Fildertunnel im Überblick

3 Entwicklung von Vortriebs- und Logistikvarianten

4 Beauftragtes alternatives Auffahr- und Logistikkonzept

5 Bau und Ausrüstung der Wendekaverne

6 Der Wendevorgang zwischen Durchschlag und Wiederanfahrt

7 Logistik-Installationen in der Wendekaverne

8 Schlussbetrachtung

II: Unterfahrung der denkmalgeschützten DB-Direktion im Großprojekt Stuttgart

1 Ehemaliges Direktionsgebäude der DB

2 Planung der Abfangung

3 Stand der Arbeiten

4 Ergebnisse der Verformungsmessung

5 Schlusswort

Vertragswesen

I: Konfliktarmer Bauvertrag im Untertagebau

Präambel

1 Einleitung

2 Genehmigungen und Gestattungen („Baurecht“)

3 Anforderungen an die technische Planung („Ausführbarer Entwurf “)

4 Gestaltung der LV-Positionen

5 Baugrundmodell mit Verfahrensbereichen/ Interaktionsmodell

6 Klare und faire Risikoverteilung

7 Planungsfreigabeprozesse

8 Personelle Ausstattung und Organisationsstruktur

9 Regeln der Zusammenarbeit

10 Außergerichtliche Streitbeilegung

11 Zusammenfassung und Ausblick

Tunnelbaubedarf

Inserentenverzeichnis

Endbenutzer-Lizenzvereinbarung

List of Tables

II. Abdichtung druckwasserhaltender Eisenbahntunnel mit Kunststoffdichtungsbahnen in Deutschland – Diskussionsbeitrag zu einer planmäßigen Blockhinterlegung

Tabelle 1. Tunnelbauwerke in Deutschland, Österreich und der Schweiz, bei welche...

Tabelle 2. Dichtigkeitsanforderungen hinsichtlich Bauwerksbereichen in Deutschla...

III. Herstellung einer hochbewehrten Innenschale im anhydritführenden Gebirge des Tunnels Feuerbach

Tabelle 1. Belastung der GSR-Spannbögen

Tabelle 2. Vertikale Verformung der Messpunkte durch die Lasteinwirkung

I. Herstellung von Anlandungsstrecken von Unterwasser-Gaspipelines im Rohrvortrieb

Tabelle 1. Ausbläsersicherheit in Abhängigkeit zur Vortriebsstationierung

I. DAUB-Empfehlung zur Auswahl von Tunnelbohrmaschinen – Vorgehensweise und Beispiele

Tabelle 1. Einordnung von TBM [1]

Tabelle 2. Zuordnungen auf Basis der RMR-Klassifizierung

I. Aerodynamische Aspekte moderner Eisenbahntunnel

Tabelle 1. Druckkomfortkriterien (Quelle: DB Systemtechnik GmbH)

Tabelle 2. Bewertungsampel für Druckänderungen (Quelle: DB Systemtechnik GmbH)

Tabelle 3. ToRR-Bewertungsskala (Quelle: DB Systemtechnik GmbH)

I. BIM-Pilotprojekt an der östlichen Tunnelkette A 44 in Hessen

Tabelle 1. Anwendungsfälle für den Modellierungsauftrag (Auszug)

Guide

Cover

Inhaltsverzeichnis

Titelblatt

Urheberrechte

Vorwort zum fünfundvierzigsten Jahrgang

Autorenverzeichnis

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Tunnelbaubedarf

Inserentenverzeichnis

Endbenutzer-Lizenzvereinbarung

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Taschenbuch für den

Tunnelbau 2021

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. C. Camós-Andreu

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

45. 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.

© 2021 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.

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Herstellung: pp030 – Produktionsbüro Heike Praetor, Berlin

Satz: Olaf Mangold Text & Typo, Stuttgart

Druck und Bindung:

Printed in the Federal Republic of Germany.

Gedruckt auf säurefreiem Papier.

Print ISBN: 978-3-433-03319-7

ePDF ISBN: 978-3-433-61043-5

ePub ISBN: 978-3-433-61042-8

oBook ISBN: 978-3-433-61041-1

Vorwort zum fünfundvierzigsten Jahrgang

Mit der Eröffnung des Ceneri-Basistunnels Anfang September dieses Jahres wurde in der Schweiz die 1992 beschlossene Neue Eisenbahn-Alpentransversale (NEAT) vollendet, zu der auch die Basistunnel unter dem Gotthard-Massiv und dem Lötschberg gehören. Auch die weiteren Großprojekte in den Alpen machen gute Fortschritte; so erfolgte im Koralmtunnel in diesem Sommer der finale Durchschlag und beim Brenner Basistunnel sind mehr als die Hälfte aller Strecken ausgebrochen. Beim Projekt Stuttgart–Ulm sind mit Ausnahme der Tunnelröhren nach Obertürkheim alle Fernbahntunnel im Stadtgebiet von Stuttgart durchgeschlagen. Gleiches gilt für den Albvorlandtunnel und die Tunnelröhren des Albauf- und Albabstiegs. Solche Großprojekte sind Innovationstreiber. Sie erfordern oftmals neue Lösungen und Vorgehensweisen, definieren die Grenzen des technisch Machbaren neu und tragen so zu einer Weiterentwicklung der-Tunnelbautechnik bei, von der wiederum eine Vielzahl an Projekten in aller Welt profitieren kann.

In bewährter Form werden auch in dieser Ausgabe des Taschenbuchs für den Tunnelbau interessante Projekte und innovative Lösungen vorgestellt. Mit Unterstützung eines sehr engagierten Beirats, der alle am Tunnelbau Beteiligten vertritt und sich aus Vertretern der Bauherren, Bauindustrie, beratenden Ingenieure, Maschinenhersteller und Zulieferer sowie Hochschule und Wissenschaft zusammensetzt, haben Herausgeber und Verlag elf spannende Beiträge aus den Themenbereichen konventioneller bergmännischer Tunnelbau, maschineller Tunnelbau, Digitalisierung im Tunnelbau, Maschinen und Geräte, Baustoffe und Bauteile, Forschung und Entwicklung, Praxisbeispiele sowie Vertragswesen, Wirtschaftlichkeit und Akzeptanz ausgewählt. Ein Einkaufsführer zum Thema Tunnelbaubedarf rundet das Buch ab.

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

Dr.-Ing. B. Wittke-Schmitt

Dr. rer. nat. K. Laackmann

Autorenverzeichnis

Dipl.-Ing. (FH) Thomas Beeck, GSR Spannring GmbH, Zotzenheimerstraße 64a, 55576 Sprendlingen 106

Dipl.-Ing. Georg Breitsprecher, Niederlassungs- und Bereichsleiter, CDM Smith, Bouchéstraße 12, 12435 Berlin 203

Prof. Dr. Ing. Christoph Budach, Fakultät für Bauingenieurwesen und Umwelttechnik, Lehr- und Forschungsgebiet Geotechnik und Tunnelbau, Technische Hochschule Köln, Campus Deutz, Betzdorfer Straße 2, 50679 Köln 169, 203

Dr. Carles Camós-Andreu, DB Netz AG, Tunnel- und Erdbau Technik, Richelstraße 3, 80634 München 26, 228

DAUB-Arbeitskreis: Thorsten Weiner (Leitung), Matthias Breidenstein, Heinz Ehrbar, Dieter Handke, Rainer Rengshausen, Edgar Schömig, Jürgen Schwarz, Klaus Würthele 293

Dipl.-Ing. Peter Deeg, DB Systemtechnik, Völckerstraße 5, 80939 München 228

Dipl.-Ing. Ralf Druffel, Prokurist, WBI GmbH, Im Technologiepark 3, 69469 Weinheim 1

Dr.-Ing. Claus Erichsen, WBI GmbH, Im Technologiepark 3, 69469 Weinheim 106

Dr.-Ing. Stefan Franz, DEGES Deutsche Einheit Fernstraßenplanungs- und -bau GmbH, Zimmerstraße 54, 10117 Berlin 243

Dr.-Ing. Anna-Lena Hammer, Lehrstuhl für Tunnelbau, Leitungsbau und Baubetrieb, Ruhr-Universität Bochum, Universitätsstr. 150, 44801 Bochum 26

Dipl.-Ing. Michael Hieke, DB Systemtechnik, Völckerstraße 5, 80939 München 228

Dipl.-Ing. Niklas Hirche, Alfred Kunz Untertagebau, Frankfurter Ring 213, 80807 München 106

Dipl.-Ing. Manfred Kicherer, Alfred Kunz Untertagebau, Frankfurter Ring 213, 80807 München 106

Dipl.-Ing. Josef Kofler, Bereichsleiter Pipe jacking, Ed. Züblin AG, Direktion IU-Tunnelbau, Altstadtweg 5, 70567 Stuttgart 148

Dipl.-Ing. Günter Konrad, Oberbauleiter, Ed. Züblin AG, Direktion IU-Tunnelbau, Altstadtweg 5, 70567 Stuttgart 148

M. Sc. Elena Kosak, Zetcon Ingenieure GmbH, Lennershofstr. 162, 44801 Bochum 26

Dr.-Ing. Ulrich Maidl, MTC – Maidl Tunnelconsultants, Goethestraße 74, 80336 München 169

Dipl.-Ing. Günter Osthoff, Leiter Technisches Projektmanagement, Stuttgart Tunnel Süd IGT(2), DB Projekt Stuttgart-Ulm GmbH, Räpplenstr. 17, 70191 Stuttgart 1

Dipl.-Ing. Wolfgang Pitscheider, Ferro-Technic GmbH, Auwerkstraße 2a, A-6460 Imst 106

Dipl.-Ing. (FH) Michael Pradel, Projektleiter, Technisches Projektmanagement Stuttgart Hbf (I.GT (1)), DB Projekt Stuttgart–Ulm GmbH, Räpplenstr. 17, 70191 Stuttgart 277

Dipl.-Ing. Stefan Priß, Alfred Kunz Untertagebau, Frankfurter Ring 213, 80807 München 106

DI Andreas Rath, PORR Bau GmbH, Techn. Geschäftsführung ARGE ATCOST 21, Absberggasse 47, A-1100 Wien 1, 261

Dr.-Ing. Janosch Stascheit, MTC – Maidl Tunnelconsultants, Fuldastraße 11, 47051 Duisburg 169

Prof. Dr.-Ing. Markus Thewes, Lehrstuhl für Tunnelbau, Leitungsbau und Baubetrieb, Ruhr-Universität Bochum, Universitätsstr. 150, 44801 Bochum 26

Dr.-Ing. Christian Thienert, Bereichsleiter Tunnelbau und Bautechnik, STUVA e.V., Mathias-Brüggen-Straße 41, 50827 Köln 203

Dr. Matthias Türtscher, G. Hinteregger & Söhne Baugesellschaft m.b.H., Bergerbräuhofstraße 27, A-5020 Salzburg 261

Dipl.-Ing. (FH) Tomas Vardijan, Team Manager und Authorised Signatory Ed. Züblin AG, Zentrale Technik, Technisches Büro Tiefbau Stuttgart (TBT-S), Albstadtweg 3, 70567 Stuttgart 277

Dr.-Ing. Gerhard Wehrmeyer, Leiter Forschung und Entwicklung, Herrenknecht AG, Schlehenweg 2, 77963 Schwanau 169

Dipl.-Ing. Ralf Wilhelm, Projektleiter, Ed. Züblin AG, Direktion IU-Tunnelbau, Altstadtweg 5, 70567 Stuttgart 148

Dr.-Ing. Martin Wittke, Geschäftsführer, WBI GmbH, Im Technologiepark 3, 69469 Weinheim 1

Dr.-Ing. Patricia Wittke-Gattermann, WBI GmbH, Im Technologiepark 3, 69469 Weinheim 106

Dipl.-Ing. univ. Hans-Joachim Wormstall-Reitschuster, DB Systemtechnik, Völckerstraße 5, 80939 München 228

Konventioneller bergmännischer Tunnelbau

I.Bahnprojekt Stuttgart–Ulm, Anfahrbereich HBF Süd: Auffahren von Großquerschnitten im Vollausbruch

Martin Wittke, Ralf Druffel, Günter Osthoff, Andreas Rath

Im Hangbereich des Anfahrbereichs HBF Süd des Projekts Stuttgart 21 wurden zwei zweigleisige Eisenbahntunnelröhren mit Längen von ca. 220 bis 230 m aufgefahren. Die Tunnel liegen bei Überdeckungen von ca. 7 bis 45 m im ausgelaugten Gipskeuper unter Bebauung. Die bis zu 20 m breiten und ca. 16 m hohen Tunnelröhren wurden im Vollausbruch mit abgetreppter Ortsbrust aufgefahren. Die Ausbruchsleibung wurde mit einer 50 bis 60 cm dicken stahlfaserbewehrten Spritzbetonschale gesichert. Die vorauseilende Sicherung erfolgte mit Ortsbrustankern, Sohlankern und Rohrschirmen. Zum Schutz der Bebauung wurden Hebungsinjektionen durchgeführt. Dazu wurden bis zu ca. 100 m lange Bohrungen aus zwei Schächten hergestellt. Die Vortriebsarbeiten konnten im Jahr 2020 erfolgreich abgeschlossen werden. Es wurden im Mittel Nettovortriebsleistungen von ca. 0,6 m/d erreicht.

Railway project Stuttgart–Ulm, launching area Station South: Full face heading with large cross sections

For the launching area Station South of the railway project Stuttgart 21, two 220 m and 230 m long two-track railway tunnels have been constructed. The tunnels are located in the leached Gypsum Keuper. The overburden varies from approx. 7 to 45 m. The tunnel cross sections are up to 20 m wide and up to approx. 16 m high. Heading was carried out by full face excavation with a stepped temporary face. The tunnel contour was supported by a 50 to 60 cm thick membrane of steel fibre reinforced shotcrete. The advancing support consisted of face anchors, invert anchors and forepoling. In order to protect the buildings at the surface against inadmissible subsidence compensation grouting was carried out. For this purpose up to approx. 100 m long drillings were carried out from two shafts. Excavation works were successfully completed in the year of 2020. An average net advance rate of 0.6 m was achieved.

1 Einleitung

Für das Projekt Stuttgart 21 wurden im zum Fildertunnel gehörenden Anfahrbereich HBF Süd vom Verzweigungsbauwerk HBF Süd zum Südkopf des neuen Hauptbahnhofs zwei ca. 220 bis 230 m lange Tunnelröhren gebaut. Die für einen zweigleisigen Eisenbahnbetrieb ausgelegten Tunnelröhren besitzen ein Maulprofil.

Ursprünglich war vorgesehen, die Tunnelröhren in diesem Bereich in jeweils drei Abschnitten aufzufahren. In den einzelnen Abschnitten sollte vor Beginn der Vortriebsarbeiten in den Nachbarabschnitten zunächst die Innenschale eingebaut werden, um eine mögliche Beeinflussung des Druckspiegels des Mineralwassers unter der Stadt Stuttgart gering zu halten.

Im Zuge der Ausführung konnte u. a. durch 3D-Finite-Elemente-(FE)-Berechnungen der Sickerströmung gezeigt werden, dass es möglich ist, eine Beeinflussung des Druckspiegels im Mineralwasseraquifer auch dann zu vermeiden, wenn die Sicherung des Tunnels durch Stahlfaserspritzbeton erfolgt. Dieser muss jedoch eine geringe Durchlässigkeit besitzen und gegen Wasserdruck bemessen werden. Auf eine außen liegende Dränage muss dann verzichtet werden. Durch diese Maßnahmen war es möglich, auf den ursprünglich vorgesehenen schrittweisen Einbau der Innenschale zu verzichten.

Die zweigleisigen Tunnelröhren im Anfahrbereich HBF Süd sollten nach den ursprünglichen Planungen ebenso wie die Röhren unter dem Kriegsberg im Ulmenstollenvortrieb aufgefahren werden. Bei Ulmenstollenvortrieben kommt es jedoch, insbesondere bei hohen Überlagerungen, zu einer sehr ungünstigen Biege- und Querkraftbeanspruchung der Spritzbetonschale im Bereich der Anschlüsse der Ulmenstiele an das Gewölbe. Auch bei den Vortrieben für die Großquerschnitte unter dem Kriegsberg für die Tunnel des Planfeststellungsabschnitts (PFA) 1.5 des Projekts Stuttgart 21 hat sich gezeigt, dass sich an diesen Stellen eine sehr ungünstige Beanspruchung ergibt, gegen die die Spritzbetonschale nur schwer zu bemessen ist.

Aufgrund dieser Erkenntnisse wurde entschieden, die Vortriebe für die Großquerschnitte im Anfahrbereich HBF Süd im Vollausbruch mit abgetreppter Ortsbrust auszuführen.

Im vorliegenden Beitrag werden das Projekt, die Baugrundverhältnisse sowie die Planung beschrieben, und es wird über die Erfahrungen beim Bau berichtet.

2 Projekt

Für das Bahnprojekt Stuttgart–Ulm werden im Stadtgebiet von Stuttgart mehr als 50 km Tunnel gebaut. Der neue Hauptbahnhof wird über die Tunnel nach Feuerbach, Bad Cannstatt sowie Ober- und Untertürkheim u. a. mit dem bestehenden Streckennetz der Deutschen Bahn (DB) verbunden. Über den vom Südkopf des neuen Hauptbahnhofs, Bauabschnitt (BA) 25, auf die Filderebene laufenden ca. 2 × 9,5 km langen Fildertunnel erfolgt die Anbindung an den Flughafen und die Neubaustrecke nach Ulm [1, 2].

Für den Anfahrbereich HBF Süd des Fildertunnels werden zwei zweigleisige Tunnelröhren, die Röhren 815 und 825, gebaut (Bild 1). Diese verbinden den Hauptbahnhof mit dem Verzweigungsbauwerk HBF Süd, in dem die Tunnel nach bzw. von Obertürkheim vom Fildertunnel abzweigen. Im Verzweigungsbauwerk mündet auch die Rettungszufahrt HBF Süd, über die u. a. der Anfahrbereich HBF Süd aufgefahren wurde.

Bild 1. Anfahrbereich HBF Süd, Lageplan

Die Tunnelröhren haben im Anfahrbereich einen bis zu 20,0 m breiten und 15,6 m hohen Ausbruchquerschnitt (Bild 2) [3]. Der Querschnitt wird durch eine 50 bis 60 cm dicke Schale aus stahlfaserbewehrtem Spritzbeton gesichert. Aus statischen Gründen wurde die Sohle stärker ausgerundet, als es das Lichtraumprofil erfordert.

Der Tunnelquerschnitt verjüngt sich ausgehend vom BA 25 zunächst und weitet sich in Richtung Verzweigungsbauwerk wieder auf. Die geringste Ausbruchbreite von ca. 15,4 m wird östlich der Urbanstraße erreicht (vgl. Bild 1). Hier besitzt der Tunnel auch die geringste Querschnittshöhe (Bilder 2 und 3). Zur Vereinfachung der Schalung der ständig wechselnden Querschnitte werden die Sohle und die Innenseite der Firste der Innenschale horizontal ausgeführt. Die Innenradien in Höhen der Ulmen können auf diese Weise unverändert bleiben. Unterhalb der horizontalen Sohle wird der verbleibende Zwischenraum zwischen Innen- und Außenschale mit Füllbeton ausgefüllt. Der Tunnel wird mit einer KDB abgedichtet.

Bild 2. Tunnelquerschnitt

Bild 3. Weströhre (815), Längsschnitt

Die Überlagerung des Tunnels wächst von ca. 7 m an der Bohrpfahlwand des BA 25 auf ca. 40 bis 50 m im Bereich des Verzweigungsbauwerks an. Der Tunnel liegt über die gesamte Länge des Anfahrbereichs unter mehrgeschossiger Bebauung (Bilder 1 und 3).

3 Baugrundverhältnisse

Im Anfahrbereich HBF Süd liegen die Tunnel nahezu ausschließlich in den Schichten des ausgelaugten Gipskeupers (vgl. Bild 3). An der Geländeoberfläche stehen Hangschutt und Auffüllungen an, die nach den Ergebnissen der Erkundungen im Bereich des BA 25 bis unmittelbar über die Firste reichen.

Am Übergang zum Verzweigungsbauwerk steht unterhalb der Tunnelsohle anhydritfreier, unausgelaugter Gipskeuper an. Der Lettenkeuper liegt nach den Ergebnissen der Erkundungen ca. 15 m unter der Tunnelsohle. Daran schließt sich unterhalb der Obere Muschelkalk an, der Mineralwasser führt.

Der ausgelaugte Gipskeuper ist ein sulfatfreies Residualgestein des Gipskeupers, das eher Lockergesteinscharakter besitzt, weil die durch das Sulfat bedingte Festigkeit des Gipskeupers durch Auslaugung verloren gegangen ist [4]. Auf der Grundlage von Erfahrungen kann der ausgelaugte Gipskeuper nach dem Wassergehalt in vier Klassen eingeteilt werden:

– Klasse I: gesteinsartig,

– Klasse II: mürbe,

– Klasse III: sehr mürbe,

– Klasse IV: vollständig entfestigt.

Der E-Modul des ausgelaugten Gipskeupers kann für die Klassen II und III mit 150 MN/m2 angenommen werden. Bei größerem Anteil der Klasse IV liegt der E-Modul nur noch in der Größenordnung von 80 MN/m2 [4]. Die Festigkeit des ausgelaugten Gipskeupers kann nach Mohr-Coulomb mit φ = 30° und c = 0 kN/m2 oder φ = 25° und c = 20 kN/m2 angesetzt werden.

Insbesondere im Bereich von Störzonen und in der Nähe der Auslaugungsfront, d. h. in der Nähe des Übergangs zum unausgelaugten Gebirge, können im ausgelaugten Gipskeuper Dolinen vorhanden sein.

4 Planung für Ausbruch und Sicherung

Als Grundlage für die Planung wurden räumliche FE-Berechnungen mit den Programmsystemen FEST03 und HYD03 durchgeführt. Beispielhaft zeigt Bild 4 das FE-Netz des Berechnungsquerschnitts für den Bereich mit der größten Überlagerung. Es wurden beide Tunnelröhren nachgebildet, um die gegenseitige Beeinflussung der beiden Röhren untersuchen zu können.

Der E-Modul des ausgelaugten Gipskeupers wurde in den Berechnungen variiert, E = 80 MN/m2 und E = 150 MN/m2. Für den unterhalb der Sohle anstehenden unausgelaugten Gipskeuper wurde elastisches Verhalten angenommen. Der E-Modul des Spritzbetons wurde in den Berechnungen ebenfalls variiert. Aufgrund der vergleichsweise geringen Vortriebsgeschwindigkeit wurde der Bemessung ein E-Modul von 15 000 MN/m2 zugrunde gelegt. In zusätzlichen Berechnungen wurde auch das Durchfahren einer Störzone simuliert.

Bild 4. 3D-FE-Netz

Maßgebend für die Bemessung ist die Beanspruchung der Spritzbetonschale in der ersten Röhre, die entsteht, nachdem die zweite Röhre aufgefahren wurde. Die in Bild 5 dargestellten Schnittgrößen zeigen eine hohe Normalkraftbeanspruchung. Aufgrund der gewählten Ausrundungsradien spielen Biegung und Querkraft für die Bemessung nur eine untergeordnete Rolle.

Die hohe Normalkraftbeanspruchung führt bei einer Spritzbetonschalendicke von 50 cm zu einer Druckbewehrung in den Ulmenbereichen. Daher wurde entschieden, die Dicke der Spritzbetonschale in diesem Bereich auf 60 cm zu vergrößern. Durch diese Maßnahme ist nur noch eine sehr geringe Umfangsbewehrung erforderlich, die durch Gitterbögen abgedeckt werden kann. Eine Schubbewehrung ist nicht erforderlich.

Bild 5.Spritzbetonschale 1. Röhre, Bemessung nach Auffahren 2. Röhre

Eine Besonderheit stellt die Biegebeanspruchung der in der Firste nach vorne auskragenden Spritzbetonschale dar (Bild 6). Die hier beim Ausbruch der Strosse und Sohle (Bild 7) entstehende Zugbeanspruchung an der Außenseite kann durch den stahlfaserbewehrten Spritzbeton aufgenommen werden.

Die räumlichen Berechnungen enthalten auch den Nachweis der Standsicherheit der Ortsbrust. Danach ist eine relativ engständige Ortsbrustankerung erforderlich (SB-Anker R32S bzw. R51L, Bild 8). Darüber hinaus ergab sich die Notwendigkeit, das Gebirge unterhalb der Sohle durch eine vorauseilende Ankerung zu stabilisieren (Sohlanker R51L, Bild 8). Die radiale Ankerung in den Ulmen wurde konstruktiv gewählt. Im Gebirgspfeiler zwischen den Tunnelröhren wurde eine Durchankerung vorgesehen.

Auch die Wirkung der vorauseilenden Rohrschirmsicherung wurde in den FE-Berechnungen berücksichtigt. Die Rohre wurden wie die Ortsbrustanker mit einer Länge von 16 m ausgeführt. Um die Größe des Querschnitts zu begrenzen, wurde auf die Herstellung von Rohrschirmnischen verzichtet.

Bild 6.Bemessung Spritzbetonschale in Längsrichtung

Bild 7. Sohlaushub

Bild 8.Vortriebsklasse

Die Abschlaglänge wurde mit 1 m im Bereich der Kalotte und mit 2 m im Bereich der Sohle festgelegt. Der Sohlschluss erfolgte spätestens nach 5 m (Bild 8).

Die Spritzbetonschale wurde gegen Wasserdruck bemessen, und es wurde keine außen liegende Sohldränage angeordnet. Um Strömungskräfte im Bereich der Ortsbrust zu vermeiden, wurden vorauseilende Vakuumlanzen (System AT-Tubespile der Fa. DSI) in Höhen der Ulmen vorgesehen.

Die räumlichen Berechnungen führen auch zu einer Prognose der vortriebsbedingten Verschiebungen im Tunnel und im Bereich der Oberfläche. Beispielhaft zeigt Bild 9 die Prognose der Senkungen für den Vortrieb der ersten Röhre im Bereich der größten Überdeckung. Unter der Annahme eines E-Moduls für den ausgelaugten Gipskeuper von 150 MN/m2 ergaben die Berechnungen maximale Senkungen an der Geländeoberfläche von ca. 20 bis 30 mm. Die prognostizierten messbaren Firstsenkungen betragen ca. 40 mm.

Zur Überwachung der Standsicherheit der Ortsbrust wurden dem Vortrieb vorauseilend eingebaute horizontale Gleitmikrometer vorgesehen, mit denen die Horizontalverschiebungen im Bereich vor der Ortsbrust gemessen werden konnten. Die FE-Berechnungen führten zu dem Ergebnis, dass die Horizontalverschiebungen bis max. rund 10 m vor die Ortsbrust reichen (Bild 10).

Bild 9. Errechnete Senkungen, Vortrieb 1. Röhre, Längsschnitt

Bild 10. Verschiebung Ortsbrust, Vergleich Messung und Rechnung

5 CGV-Maßnahme

Zur Begrenzung der Senkungen und Senkungsunterschiede an den Gebäuden wurden Hebungsinjektionen (CGV) ausgeführt. Zur Herstellung der dazu erforderlichen horizontalen Bohrungen dienten die Schächte 2 und 3 (Bilder 11 und 12). Mit den Bohrungen aus Schacht 3 wurden die im Bereich der Tunnel liegenden Gebäude in der Schützen- und Urbanstraße (vgl. Bild 1) erreicht. Dafür wurden Bohrungen mit einer Länge von bis zu 99,4 m erforderlich. Aus Schacht 2 heraus wurden die Gebäude in der Nähe des BA 25 angehoben. Da zusätzliche Schächte im oberen Bereich des Hangs nicht genehmigungsfähig waren, konnten die Gebäude der Kernerstraße nicht in den CGV-Bereich aufgenommen werden.

Aufgrund der Hanglage war der Abstand der CGV-Bohrungen zu den Fundamenten der Gebäude im Bereich der Schützenstraße sehr groß. Dieser Umstand musste bei der Planung der Injektionen berücksichtigt werden.

Bild 11. Lageplan mit CGV-Maßnahmen

Bild 12. CGV-Maßnahmen, Längsschnitt Röhre 815 mit CGV-Schacht 3 und Injektionsbohrungen

6 Bauausführung

Die Arbeiten begannen Ende Januar 2019 in der Röhre 815 und wurden mit erfahrenem Vortriebspersonal erfolgreich durchgeführt (Bild 13). Der Durchschlag der ersten Röhre erfolgte Anfang Februar 2020 (Bild 14). Die zweite Röhre folgte der ersten Röhre in einem Abstand von ca. 40 bis 50 m. Der Durchschlag der zweiten Röhre konnte Anfang Mai 2020 abgeschlossen werden (Bild 15).

Ohne Berücksichtigung der Herstellung der Rohrschirme und der Ortsbrustanker konnte eine mittlere Vortriebsgeschwindigkeit von 1,0 m/d erzielt werden. Berücksichtigt man die Arbeitsgänge für die Voraussicherungen und Entwässerungsmaßnahmen, so ergibt sich eine mittlere Vortriebsgeschwindigkeit von 0,6 m/d.

Im Bereich, in denen die CGV-Maßnahmen ausgeführt wurden, ergaben sich nach Abschluss der Vortriebsarbeiten Senkungen von ca. 3 bis 5 cm (Bild 16). Bei allen Gebäuden in diesem Bereich sind die Neigungen nach Beendigung der Vortriebe geringer als 1 : 500.

Bild 13.Vortriebsarbeiten

Bild 14. Bauzeitdiagramm

Bild 15.Vortrieb der Röhre 825, Durchschlag zu BA 25

Bild 16. Gemessene Senkungen nach Vorhebungen und Tunnelvortrieben

Trotz der großen Überlagerung gelang es, die Gebäude in der Schützenstraße (vgl. Bild 11) anzuheben, wie am Beispiel des Gebäudes A in Bild 17 für die Messpunkte MP 1 und MP 2 zu erkennen. Im Zuge der Unterfahrung stellten sich für den MP 2 Senkungen von 56 mm ein. Die effektiven Senkungen betrugen aufgrund der erfolgten Vorhebung dagegen nur 38 mm. Erste Senkungen traten ein, als die Ortsbrust der ersten Röhre einen Abstand von ca. 35 m zum Gebäude hatte. Die Senkungen konvergierten, nachdem die zweite Röhre ca. 40 m über den Querschnitt hinaus vorgetrieben war. Dieses Ergebnis muss vor dem Hintergrund der relativ großen Überdeckung von ca. 30 m in diesem Bereich gesehen werden.

Beispielhaft sind die im Bereich des Schnitts I–I entlang der Schützenstraße (vgl. Bild 16) gemessenen und errechneten Verschiebungen dargestellt. In diesem Bereich wurde eine Vorhebung von max. ca. 18 mm erreicht. Die Senkungen betrugen nach Abschluss der Vortriebsarbeiten max. 43 mm (Bilder 16 bis 18). Zum Vergleich sind die aus den FE-Berechnungen resultierenden Senkungen dargestellt. Dabei wurden die E-Moduln des ausgelaugten Gipskeupers von E = 80 MN/m2 und E = 150 MN/m2 zugrunde gelegt. Es zeigt sich, dass der E-Modul des ausgelaugten Gipskeupers in diesem Bereich eher 80 MN/m2 betragen dürfte. Auch die beim Vortrieb gemessenen Wassergehalte weisen in diese Richtung.

Bild 17. Unterfahrung von Gebäude A

Bild 18. Unterfahrung Gebäude, Schnitt I–I, Vertikalverschiebungen

Größere Senkungen sind im Bereich der größten Überdeckung aufgetreten, bis zu der die Hebungsinjektionen nicht reichten (Bild 16). Diese sind vor allem darauf zurückzuführen, dass in diesem Bereich offensichtlich mehrere Dolinen im Baugrund vorhanden waren (Bild 19). Diese Feststellung resultiert aus den Kartierungen beim Vortrieb, in denen außer einer Doline auch Versturzmassen festgestellt wurden. Außerdem wurden in diesem Bereich, insbesondere in der Röhre 825, über die Anker sehr große Verpressmengen eingebracht, die vom Baugrund aufgenommen wurden (Bild 19). In diesem Bereich traten bei zwei Gebäuden Neigungen von > 1 : 500 auf.

Bild 19. Regelsicherung und Sondermaßnahmen, Verpressmengen

7 Zusammenfassung

Im Hangbereich des Anfahrbereichs HBF Süd des Projekts Stuttgart 21 wurden zwei zweigleisige Eisenbahntunnelröhren unter Bebauung aufgefahren. Die Tunnel liegen im ausgelaugten Gipskeuper, der Verformungsmoduln von 80 bis 150 MN/m2 aufweist. Die Tunnel wurden im Vollausbruch mit abgetreppter Ortsbrust aufgefahren. Die Ausbruchsleibung wurde mit 50 bis 60 cm stahlfaserbewehrtem Spritzbeton gesichert. Die vorauseilende Sicherung erfolgte durch Rohrschirme, Ortsbrust- und Sohlanker.

Die Bemessung der Auskleidung und die Prognose der Senkungen erfolgte mithilfe von räumlichen FE-Berechnungen. Auch die Sickerströmung und der Einfluss der Vortriebsarbeiten auf das Mineralwasser wurden mit 3D-FE-Berechnungen untersucht.

Es konnte eine mittlere Nettovortriebsleistung von 0,6 m/d erzielt werden. Zum Schutz der Gebäude wurden Hebungsinjektionen (CGV) durchgeführt. Dazu wurden bis zu 99,4 m lange Bohrungen aus Schächten hergestellt.

Im Bereich des Hebungsfelds betrugen die Senkungen nach Abschluss der Arbeiten zwischen 3 und 5 cm. Die maximalen Neigungen der Gebäude waren < 1 : 500. Die gemessenen Verschiebungen liegen in der Größenordnung der Prognosen, die mit E-Moduln des ausgelaugten Gipskeupers von E = 80 MN/m2 und E = 150 MN/m2 erstellt wurden.

Im Bereich der maximalen Überdeckung in der Nähe des Verzweigungsbauwerks, in dem keine Hebungsinjektionen durchgeführt wurden, ergaben sich größere Senkungen und an zwei Gebäuden Neigungen von > 1 : 500. Diese sind insbesondere auf in diesem Bereich verstärkt vorhandenen Auslaugungserscheinungen bzw. Dolinen zurückzuführen.

Literatur

[1] Breidenstein, M.; Wittke, M. (2015) Bahnprojekt Stuttgart–Ulm: Der Fildertunnel – Erfahrungen und Ausblick mit der kombinierten Bauweise mittels Spritzbeton und Tunnelvortriebsmaschine, STUVA-Tagung 2015, Forschung + Praxis 46.

[2] Leger, M. (2015) Bahnprojekt Stuttgart–Ulm: Stand und Ausblick. Vorträge anlässlich des Felsmechanik- und Tunnelbautages 2015 im WBI-Center, 16.04.2015, Weinheim, WBI-PRINT 18.

[3] Wittke, W.; Wittke, M.; Druffel, R.; Rath, A.; Osthoff, G. (2019) Großquerschnitte im Anfahrbereich Hauptbahnhof Süd – Statische Berechnungen, Senkungsprognosen und Baubetriebliche Aspekte. Vorträge anlässlich des 5. Felsmechanik- und Tunnelbautages 2019 im WBI-Center, 23.05.2019, Weinheim, WBI-PRINT 22.

[4] Wittke, W. (2015) Baugrundverhältnisse des Bahnprojekts Stuttgart–Ulm