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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.
Inhaltsverzeichnis |
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 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.
Im Tunnelbau werden Begriffe verwendet, die aus dem Bergbau stammen und daher nicht allgemeinverständlich sind. Die nebenstehende Grafik verdeutlicht die Bezeichnungen für den Tunnelquerschnitt.
Beim Ausbruch des Tunnelhohlraums, also dem „Rohbau des Tunnels“, sind gebräuchlich:
Die Untertagebauten werden eingeteilt in:
Im Tunnelbau werden unter anderem folgende Maschinen verwendet:
Grundsätzlich wird zwischen offener Bauweise, auch cut and cover-Verfahren genannt, bei der der Tunnel von oben her gebaut wird und geschlossener auch bergmännischer Bauweise genannt, bei der der Tunnel von einem oder beiden Endpunkten her vorangetrieben wird, unterschieden. Weiters wird in zyklischen (NÖT -Neue österreichische Tunnelbaumethode bzw. Spritzbetonmethode) und kontinuierlichen (maschinellen) Vortrieb mit Tunnelvortriebsmaschinen (Schild- oder Tunnelbohrmaschinen) unterschieden.
Der Durchschlag, also der Tag an dem sich die beiden Vortriebsenden treffen, wird mit einer Feier begangen.
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Der Ausbruch beim zyklischen Vortrieb erfolgt durch Schießen (Sprengvortrieb),durch Baggern (Baggervortrieb) oder als Hybridvortrieb (Mischverfahren aus Bagger- und 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 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.
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.
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).
Bei der Alten österreichischen Bauweise wird ein Sohlstollen vorangetrieben, der vergrößert wird. Daran schließt sich das Aufschlitzen bis zum First an. Von dort aus erfolgt der Vollausbruch.
Bei der Vortriebsbauweise oder englischen Bauweise erfolgt der Vollausbruch nacheinander, an den sich das Einziehen des Gewölbes unmittelbar anschließt.
Bei der Versatzbauweise oder italienischen Bauweise beginnt man mit dem Ausbruch des unteren Drittels und dem sofortigen Einziehen des unteren Widerlagerteils und Sohlengewölbes.
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.
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.
Bei der Schildvortriebsweise, die im Lockergestein ihre Anwendung findet, wird ein als Deckschild bezeichneter Stahlzylinder im Querschnitt des späteren Tunnelprofils mit hydraulischen Pressen vorangetrieben, die sich ihrerseits gegen das fertige Gewölbe abstützen. In seinem Schutz kann durch eine rotierende Bodenfräse im Vortriebsverfahren die Tunnelröhre ausgeräumt und durch Felsanker und Spritzbeton befestigt werden. Im nächsten Arbeitsgang wird das Gewölbe nach Einziehen der Pressen mit Beton- oder Stahltübbings ausgekleidet. Bei wasserführenden Gesteinsschichten kann der Arbeitsraum durch eine Rückwand abgeschlossen und so unter Überdruck gesetzt werden, dass kein Wasser einbricht.
Beim 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.
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.
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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 |
Zur Beurteilung des Gebirges sind drei Klassifizierungssysteme gebräuchlich, die diese Zuordnung mit der Fragestellung Wie, Wann, Was erreichen:
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]
Zur Erstellung von Untertagebauwerken kommen drei Organisationsformen der Bauwirtschaft in Frage: [Lit. 1]
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.
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.
Commons: Tunnels in Bau – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien
