Tunnelbau

Tunnelbau

Der Tunnelbau macht sich vielfach die jahrtausendalten Erkenntnisse des Bergbaus zu Nutze. Dabei wurden Stollen vorgetrieben, die mit Stempeln und Verbau gesichert wurden. Später kamen Techniken aus dem Bau von Tonnengewölben hinzu.

Der Tunnelbau wird heutzutage vielfältig für den Bau von Verkehrs- und Versorgungseinrichtungen mit Untertagebauten wie Stollen, Tunnel und Kavernen eingesetzt.

Grundzüge

Der Tunnelbau zählt zu den faszinierendsten, aber auch schwierigsten Aufgaben im Baubereich. Zwischen dem dauerhaften Tunnelbauwerk, dem Ausbruch des erforderlichen Tunnelhohlraums und dem zu durchquerenden Gebirge bestehen direkte Abhängigkeiten. Das umgebende Gebirge wird für die Tragwirkung mit genutzt, wird also gewissermaßen zum Baustoff. Der Ausbruch des Tunnelhohlraums vollzieht sich meist in Gebirgsformationen, die auf Grund ihrer Entstehung unterschiedlich geschichtet, zudem gefaltet und in verschiedener Weise der Verwitterung und dem Wasserzutritt ausgesetzt sind. Der Bauuntergrund weist mit seinen Materialeigenschaften und deren Kennwerten große Streubreiten auf, denen die Bauverfahren und vor allem ihre Sicherungsmaßnahmen Rechnung tragen müssen.^{[Lit. 1]}

„ Der Tunnelbau vereinigt Theorie und Praxis zu einer eigenen Ingenieurbaukunst. Bei Wichtung der vielen Einflüsse steht je nach dem Stand der eigenen Kenntnisse einmal die Praxis, das andere Mal mehr die Theorie im Vordergrund. Der Ingenieurtunnelbau wird heute weitgehend von Bauingenieuren betrieben, doch sollte sich jeder bewusst sein, dass Statik- und Massivbaukenntnisse allein nicht ausreichen. Geologie, Geomechanik, Maschinentechnik und insbesondere Bauverfahrenstechnik gehören gleichwertig dazu. “

– Bernhard Maidl ^{[Lit. 2]}

Voraussetzung

Voraussetzung eines Tunnelbauvorhabens ist die genaue Kenntnis der geologischen Beschaffenheit und Festigkeit des Gebirges, der Gesteinsschichtung und -zusammensetzung und ihres Verlaufs sowie der Wasserführung der Gesteinsschichten, der auftretenden Drücke und die bodenmechanische Analyse. Umgrenzung des lichten Raumes, Stärke der Auskleidung, Abdichtung, Wasserführung und Belüftung werden im „Entwurfsquerschnitt“ beschrieben.

Im modernen Tunnelbau werden Brandschutzthemen in Form von Fluchtwegen, Notausstiegen, Brandmelde- und Sprinkleranlagen frühzeitig in die Planung mit einbezogen.

Begriffsklärungen

Begriffe im Tunnelquerschnitt

Im Tunnelbau werden Begriffe verwendet, die aus dem Bergbau stammen und daher nicht allgemeinverständlich sind. Die nebenstehende Grafik verdeutlicht die Bezeichnungen für den Tunnelquerschnitt.

• Kalotte – Oberes Drittel des Tunnelquerschnitts
• Strosse – Unterer Teil des Tunnelquerschnitts
• Firste – Decke des Tunnels
• Ulme – Seitenwand des Tunnels
• Sohle - Boden des Tunnels

Beim Ausbruch des Tunnelhohlraums, also dem „Rohbau des Tunnels“, sind gebräuchlich:

• Ortsbrust - Ausbruchquerschnitt im Gebirge
• Abschlagstiefe - mögliche Ausbruchtiefe (in Tunnellängsrichtung) ohne Sicherung

Die Untertagebauten werden eingeteilt in:

• Tunnel - langgestreckte, horizontal oder nur wenig geneigt verlaufende unterirdische Hohlräume mit mehr als 25 m² Querschnitt, vorwiegend als Straßen- oder Eisenbahntunnel,
• Stollen - langgestreckte, horizontal oder bis 20% geneigt verlaufende unterirdische Hohlräume mit weniger als 25 m² Querschnitt, vorwiegend als Wasser- und Luftleitung, zur Aufnahme von Leitungen oder als Zugang für andere Untertagebauwerke genutzt,
• Schächte - langgestreckte, schräg verlaufende (mehr als 20% geneigte) oder senkrechte Hohlräume zur Überwindung von Höhenunterschieden, Aufgaben ähnlich wie Schächte,
• Kavernen - Felshohlräume mit großen Querschnitten bei relativ kurzer Länge, vorwiegend als Lager, Speicher oder zur Aufnahme von Maschinen, z.B. für Wasserkraftwerke, genutzt.

Tunnelbaugeräte

Bohrwagen mit zwei Lafetten für Sprengvortrieb

Im Tunnelbau werden unter anderem folgende Maschinen verwendet:

• Geräte zum Lösen des Gesteins (Bagger, Bohrhämmer, Drehschlagbohrmaschinen, Schrämmaschinen, Tunnelbohrmaschinen, Schildvortriebsmaschinen), Sprengmittel
• Geräte zum Laden des Gesteins (Schotterbänder, Stollen- oder Schaufellader, Radlader)
• Geräte zum Transport des Gesteins (Loren, Feldbahnen, Tiefmuldentransporter, Transportbänder)
• Geräte zum Betonieren (Betonpumpen, Betonspritzgeräte (sog. Spritzbüffel), pneumatische Betonfördermittel, Schalwagen)

Bauweisen und Vortrieb

Grundsätzlich wird zwischen offener Bauweise, auch cut and cover-Verfahren genannt, bei der der Tunnel von oben her gebaut wird und bergmännischer Bauweise, bei der der Tunnel von einem oder beiden Endpunkten her vorangetrieben wird, unterschieden. Der Durchstich, also der Tag an dem sich die beiden Vortriebsenden treffen, wird mit einer Feier begangen.

Tunnelbau in festem Gestein

Bohrarbeiten beim Bau der Tunnel der Jungfraubahn in den Schweizer Alpen (um 1900)

Im Gebirge erfolgt der Ausbruch meist durch Schießen (Sprengvortrieb); das gelöste Gestein wird anschließend mit Lademaschinen auf Fördermittel geladen und abtransportiert. Die allgemeinen Ausbrucharbeiten umfassen Bohr- und Sprengarbeiten, das Gesteinaufladen, der Abtransport des Abraums, die Durchführung von Sicherheitsmaßnahmen (Stollen- oder Tunnelzimmerung) und die Auskleidung.

Vortrieb ist dabei die Bezeichnung für die Bauweise, aber auch die gewonnene Strecke, die in Meter pro Tag angegeben wird.

• Bei der traditionellen Bauweise wird ein Richtstollen als First- oder Sohlstollen ins Gebirge vorgetrieben. Anschließend erfolgt der Gesteinsausbruch abschnittsweise bis zur Erstreckung des Gesamtquerschnitts. Danach schließen sich Sicherung gegen Nachbrechen und Vollausbau als weitere Arbeitsschritte an. Die traditionelle Bauweise erfordert zur Sicherung einen großen Aufwand an Holz.
• Beim modernen Vollausbau werden freigelegte Flächen durch Spritzbeton, Felsanker, Stahlbögen und andere Bauelemente gesichert. Durch Einsatz von vollautomatischen Großmaschinen kann die Auszimmerung entfallen. Diese Methode nennt man auch Neue Österreichische Tunnelbaumethode.

Tunnelbau in nicht standfestem Gestein

Bei nicht standfestem Gestein wird der Ausbruch teilweise noch nach traditioneller, aber modifizierter Bauweise vorgenommen. Die Ursachen für nicht standfestes Gestein sind fast ausnahmslos sogenannte Störzonen.

Kernbau

Bei der Kernbauweise oder deutschen Bauweise werden zuerst zwei seitliche Sohlstollen als Raum für die Widerlager und ein Firststollen ausgebrochen, bevor man sich durch die Firste zu den Sohlstollen vorarbeitet. Erst nach Fertigstellung der Tunnelwandung wird der Massivkern herausgebrochen.

Belgische Bauweise

Bei der Unterfangbauweise oder belgischen Bauweise beginnt man mit dem Ausbau und der Abstützung der Firste (= Kalotte). Daran schließt sich die Ausführung des Widerlagers abschnittsweise durch seitliches Einschlitzen von einem Richtstollen aus an (= Strossenbau).

Alte österreichische Bauweise

Bei der Alten österreichischen Bauweise wird ein Sohlstollen vorangetrieben, der vergrößert wird. Daran schließt sich das Aufschlitzen bis zum First an. Von dort aus erfolgt der Vollausbruch.

Vortrieb

Bei der Vortriebsbauweise oder englischen Bauweise erfolgt der Vollausbruch nacheinander, an den sich das Einziehen des Gewölbes unmittelbar anschließt.

Versatz

Bei der Versatzbauweise oder italienischen Bauweise beginnt man mit dem Ausbruch des unteren Drittels und dem sofortigen Einziehen des unteren Widerlagerteils und Sohlengewölbes.

Ringbau

Zu den modernen Bauverfahren gehört die Ringbauweise, die mit dem Ausbruch und Ausräumen der Kalotte beginnt. Daran schließt sich das Verlegen mehrteiliger Ringschwellen an, wobei der Ring von Sohl- oder Ringschwelle, Lehrbogen, Reiter und Ausbruchbogen gebildet wird. Nach dem Aufbringen von Spritzbeton kann die Strosse ausgeräumt und das Sohlgewölbe hergestellt werden.

Messerbauweise

Die Messerbauweise bedient sich die Firste sichernder, stählerner, zugespitzter Kanaldielen, die am Rand des Gewölbes als Vortriebsmesser bei gleichzeitigem Vortrieb der Tunnelbrust ins Gebirge vorgetrieben werden. Das Gewölbe wird abschnittsweise produziert.

Vortrieb in heterogenem Gestein mit Tunnelbohrmaschine am A5 Ostast in Biel; Schilddurchmesser 12.6 m

Schildvortrieb

Bei der Schildvortriebsweise, die im Lockergestein ihre Anwendung findet, wird ein als Deckschild bezeichneter Stahlzylinder im Querschnitt des späteren Tunnelprofils mit hydraulischen Pressen vorangetrieben, die sich ihrerseits gegen das fertige Gewölbe abstützen. In seinem Schutz kann durch eine rotierende Bodenfräse im Vortriebsverfahren die Tunnelröhre ausgeräumt und durch Felsanker und Spritzbeton befestigt werden. Im nächsten Arbeitsgang wird das Gewölbe nach Einziehen der Pressen mit Beton- oder Stahltübbings ausgekleidet. Bei wasserführenden Gesteinsschichten kann der Arbeitsraum durch eine Rückwand abgeschlossen und so unter Überdruck gesetzt werden, dass kein Wasser einbricht.

Gefrierverfahren

Beim Gefrierverfahren können zur Unterfahrung schwerer Bauwerke Rohrschirmdecken eingesetzt werden, wobei dicke Stahlrohre unter die Fundamente vorgetrieben und mit Stahlbeton ausgegossen werden. Vereinzelt wird wassergesättigter, schwimmender Beton vor dem Ausbruch vereist oder versteinert.

Offene Bauweise

Die offene Bauweise wird bei geringer Überdeckung verwendet. Ein typisches Einsatzgebiet sind Unterpflasterbahnen. Allerdings wird dort zunehmend auch bergmännisch gebaut, um Verkehrsbehinderungen und Belästigung der Anwohner zu vermeiden und um sich das Umlegen von Versorgungsleitungen zu ersparen.

• Bei der herkömmlichen offenen Bauweise bleibt die Baugrube während der gesamten Bauzeit offen. Die seitlichen Verbauwände werden vor oder beim Bodenaushub niedergetrieben.
• Bei der Deckelbauweise werden Bohrpfähle aus Stahl oder Stahlbeton errichtet, zwischen denen die Baugrube ausgehoben wird. Sobald die Höhe erreicht ist, in der Bagger und Radlader arbeiten können, wird die Grube zur Aufrechterhaltung des darüber fließenden Straßenverkehrs abgedeckelt. Die Deckelbauweise findet beim Bau von Unterpflasterbahnen Anwendung.

Querschnitt des Warnowtunnels

• Zur Querung von Gewässern wird die Einschwimm- und Absenktechnik in Deutschland selten angewandt. Bei ihr werden an Land vorgefertigte Senkkästen (Caissonverfahren) oder Tunnelstücke eingeschwommen und im ausgespülten Flussbett versenkt. Beispiel: Warnowtunnel

Beurteilung des Gebirges für den Tunnelbau

Grundlagen für die Auslegung und Berechnung der Tunnelbauwerke, für die Wahl der Ausbruchmethode und für die Auswahl der zwischenzeitlichen Ausbruchsicherungen während des Baus bilden:

Gebirgs- klassen	Stehzeit	Repräsentative Gebirgsarten	Standzeit beiungesicherter Spannweite (m)		Gebirgsverhalten und Sicherung	Spritzbeton
A	Standfest		20 Jahre	4		nicht erforderlich
B	Nachbrüchig	Quarzphyllite Chloritschiefer Kalkglimmer- schiefer	0,5 Jahre	4	Leichte Nachbrüche	2 bis 3 cm im Kopfbereich
C	Leicht gebräch	Dolomit in Störungs- streifen	7 Tage	3	Anfängliche Standfestigkeit, Nachbrüche nach Monaten	3 bis 5 cm im Kopfbereich
D	Gebräch	Tonmergel mürbe Sandsteine	5 Std.	1,5	Beim Ausbruch standfest, später kräftige Nach- brüche	5 bis 7 cm, im Kopfbereich mit Baustahlgewebe
E	Sehr gebräch	Mergelige Sandsteine Tonglimmerschiefer Hartmergel Kalkblätterschiefer	20 Min.	0,8	Beim Ausbruch starke Auflockerung, örtlich begrenzte Firstbrüche	7 bis 15 cm mit Baustahlgewebe
F	Druckhaft	Schiefer Mergelschiefer Mergel bergfeuchter Ton	2 Min.	0,4	Sehr dichte und schwere Sicherung erforderlich	15 bis 20 cm mit Baustahlgewebe ergänzt mit Stahlbögen
G	Sehr druckhaft	Schiefertone, mürbe Mergel	10 Sek.	0,15	Vorauseilende Sicherung	ausgesteifte Stahlbögen, nachträglich Spritzbeton

• Die Ergebnisse der Vorerkundungen mit Aufschlussbohrungen,
• Die hierauf aufbauende qualitativen und quantitativen Beschreibung des Gebirges mit Materialkennwerten,
• Gefährdungsbilder und Risikoanalysen.

Zur Beurteilung des Gebirges sind drei Klassifizierungssysteme gebräuchlich, die diese Zuordnung mit der Fragestellung Wie, Wann, Was erreichen:

• Wie das Gebirge auf den Ausbruch reagiert, beschreibt das Gebirgsverhalten mit Gefährdungsbildern wie Steinfall, Niederbrüche, Bergschlag, Sohlhebung, Querschnittsverengung und Wasser- oder Gasaustritt,
• Wann das Gebirge mit abbrechendem Gestein (Nachbruch) reagiert, gibt die Stehzeit nach dem Ausbrechen des Hohlraums an,
• Was an Sicherungs- und Ausbaumaßnahmen erforderlich ist, beschreibt die Einordnung des Gebirges nach erforderlichen Sicherungsmaßnahmen.^{[Lit. 1]}

Die ersten beiden Gruppen ordnen die auftretenden Eigenschaften zu und grenzen die Maßnahmen ein, die in der dritten Gruppe zur Auswahl kommen, wie die Tabelle im Überblick zeigt. Siehe auch ^{[Lit. 3]}

Ausführung von Untertagebauwerken

Organisationsformen

Zur Erstellung von Untertagebauwerken kommen drei Organisationsformen der Bauwirtschaft in Frage: ^{[Lit. 1]}

• Bei der Organisationsform des Einzelleistungsträgers sucht der Bauherr im Rahmen einer Ausschreibung mit einem detailliert ausgearbeiteten Leistungsverzeichnis und Vorgabe der Ausbruch- und Vortriebsklassen nach einem geeigneten Bauunternehmen. Dies ist die im Untertagebau am häufigsten genutzte Organisationsform.

• Die zweite Form stellt das Generalunternehmermodell dar, bei der die Gesamtleistung in einer funktionalen Ausschreibung mit einem Leistungsprogramm mit generellen Vorgaben u.a. zu Ausbruchklassen und Abrechnungssystemen vorgegeben wird.

• Die dritte Form besteht in der Vergabe an einen Totalunternehmer mit funktionaler Ausschreibung. Der Totalunternehmer zieht geeignete Bauunternehmen für die Bauaufgabe zusammen, ist meist nicht oder nur mit einem geringen Anteil selbst in der Bauausführung tätig. Diese Form wurde im Untertagebau bisher nur in wenigen Fällen gewählt.

Planungs- und Ausführungsphasen

Die Leistungen bei einer Projektdurchführung mit einem Einzelleistungsträger laufen in den Planungs- und Ausführungsphasen in folgender Weise mit klar abgegrenzten Aufgabenzuordnungen ab: In der Konzeptphase werden vom Bauherrn zunächst Vorstudien erstellt, die mit dem Vorentwurf genauer bearbeitet werden und in einer Konzept- und Machbarkeitsstudie als abschließender Entscheidungsgrundlage für diese Planungsphase münden. Im nächsten Schritt folgen geologische Studien und eine erste Zusammenstellung der Kosten als Kostenschätzung mit einem üblichen Genauigkeitsbereich von +- 30 bis 50 %.

Es schließt sich die Bauprojektphase an, in der weitergehende Baugrunduntersuchungen durchgeführt werden, geologische und ökologische Gutachten erstellt und eine grobe Einteilung in Ausbruchklassen vorgenommen werden.

Anschließend folgt das Genehmigungsverfahren, meist als Planfeststellungsverfahren. Im Planfeststellungsbeschluss werden die wesentlichen Genehmigungsauflagen für die weitere Planung und Ausführung festgelegt. Hierin enthalten sind insbesondere die Gewährleistung der Umweltverträglichkeit und des Schutzes der Interessen Dritter. Die Genehmigungsauflagen ergänzen die Leistungsbeschreibung der nachfolgenden Ausschreibung.

In der Bauprojektphase wird die Ausführungsplanung auf Basis der bisher arbeitende Unterlagen erstellt und verfeinert. Meist werden in dieser Phase ergänzende Baugrunduntersuchungen nötig, um offene Fragen für das Aufstellen des Leistungsverzeichnisses zu klären. Im Leistungsverzeichnis werden Vortriebsverfahren und die zugehörigen Sicherungen sowie die Einteilung des Bauwerks in Ausbruchklassen festgeschrieben. Damit gibt der Bauherr bei dieser Organisationsform des Einzelleistungsträgers weitestgehend das Bauverfahren, die Konstruktion des Bauwerks und den Bauablauf vor. Er gewährt einen gewissen Spielraum für Vorschläge von alternativen Bauabläufen oder Ausbauweisen, die von den Anbietern als Sondervorschläge im Rahmen der Angebote unterbreitet werden können.

Nach der Ausschreibung, dem damit verbundenen Preiswettbewerb und der Auftragsvergabe führt der Bauunternehmer die einzelnen Bauabschnitte aus. Sofern Sondervorschläge beauftragt wurden, kann eine Anpassung der vorliegenden Genehmigung mit einem Planänderungsverfahren erforderlich werden. Der Bauunternehmer ist für die richtige Wahl der Geräte und Abläufe verantwortlich, die sich aus den vorgegebenen Bauverfahren und der richtigen Behandlung des Baugrunds ergeben. Veränderte geologische Verhältnisse zeigt der Bauunternehmer dem Bauherrn an, der über Änderungen der Ausbruch- bzw. Sicherungsklassen entscheidet.

Vor- und Nachteile der Ausführung mit einem Einzelleistungsträger

Als Vorteil dieser Organisationsform kann der Bauherr individuell Planung und Ausführung beeinflussen, insbesondere Qualität und damit auch den Preis. Bei Planänderungen steht mit dem vereinbarten Leistungsverzeichnis eine gute Grundlage zur beidseitigen Abwicklung bereit. Dies spielt besonders eine Rolle, wenn sich aus der Geologie oder aus den Genehmigungsauflagen Unwägbarkeiten ergeben. Vorteilhaft ist bei diesem Verfahren ferner, dass mit der Ausschreibung der Preiswettbewerb zwischen den anbietenden Firmen genutzt werden kann.

Als Nachteil bei der Organisationsform des Einzelleistungsträgers besteht für den Bauherrn weiterhin das finanzielle und terminliche Risiko. Das grundlegende Risiko des Baugrundes verbleibt unabhängig von der Organisationsform beim Bauherrn, da er den Baugrund „zur Verfügung“ stellt und somit für die Beschaffenheit verantwortlich ist - Grundsatz: „Baugrund ist Bauherren-Risiko“. Im Tunnelbau ist dies besonders bedeutsam, da das umgebende Gebirge Teil des Bauwerks wird. Ergeben sich Unterschiede zwischen dem tatsächlich vorgefundenen Zustand und dem vereinbarten Leistungsverzeichnis, so gehen die daraus entstehenden Aufwendungen zu Lasten des Bauherrn.

Der Bauherr ist bei dieser Organisationsform außerdem für die Schnittstellenkoordination zu den anderen Leistungsträgern verantwortlich. Die stufenweise Bearbeitung der Planungsphase vor der Ausführung lässt keine beschleunigende Projektabwicklung zu, hieraus entsteht meist eine lange Projektdauer. Durch die Vorgabe der Tunnelausbaumethoden können besondere Kenntnisse und Methoden des Unternehmers nur begrenzt im Rahmen der genannten Sondervorschläge genutzt werden, die keine grundlegenden Änderungen zulassen. Aufgrund des reinen Preiswettbewerbs ist der Unternehmer meist daran interessiert, über Nachtragsforderungen seine oft enge Gewinnspanne zu vergrößern und die wirtschaftliche Auskömmlichkeit des Vorhabens zu verbessern.^{[Lit. 1]}

Bei der Organisationsform des Einzelleistungsträgers ist für den Unternehmer vorteilhaft, dass er kein Risiko aus Abweichungen der Leistungsbeschreibung tragen muss und im Falle eines Einheitspreisvertrages alle ausgeführten Leistungen vergütet bekommt, auch die vorgenannten geänderten oder zusätzlichen Leistungen.

Siehe auch

• Grundbau
• Ingenieurgeologie
• Tiefbau (Bergbau)
• Trägerbohlwand
• Bewehrte Erde

Weblinks

 Commons: Tunnels in Bau – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• Tabelle aller deutschen Eisenbahn-Tunnel, sortiert nach verschiedenen Kriterien
• Historische Eisenbahntunnel in den Alpen
• Vor der Hacke ist es dunkel – Artikel zu Innovationen im Tunnelbau auf dem Geowissenschaften-Portal planeterde

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c d} Gerhard Grimscheid: Baubetrieb und Bauverfahren im Tunnelbau. 2. Auflage. Berlin 2008.
2. ↑ Bernhard Maidl: Handbuch des Tunnel- und Stollenbaus, Band I und II. 3. Auflage. Essen 2004.
3. ↑ Deutsche Gesellschaft für Geotechnik e.V.: Empfehlungen des Arbeitskreises „Tunnelbau“ – ETB. Ernst & Sohn, Berlin 1995.