Bauen unter der Erde Hightech und Abenteuer

Transkript

1 Saturday LearnING an der TU Kaiserslautern, Bauen unter der Erde Hightech und Abenteuer Mit Unterstützung durch Herrn Dr.-Ing. Speier, Lehrbeauftragter am Lehrstuhl Baubetrieb und Bauwirtschaft seit Sommersemester 2011

2 Verkehrsknoten: Tokyo U-Bahn - Iidabashi Station 2

3 Historische und neuzeitliche Tunnel Jerusalem, Wasserversorgung, 700 v. Chr., 540 m/20.000m³, händisch Eupalinos (Samos), Handel, 500 v. Chr., 1052 m/3.409 m³, händisch Mont-Cenis, Eisenbahn, , m, m³, Sprengvortrieb St. Gotthard, Eisenbahn, , m/ m³, händisch, Sprengvortrieb Kanaltunnel, Eisenbahn, , m/ m³, Schild 4.Röhre Elbtunnel, Straße (A7), , m/ m³, Schild Gotthard Basistunnel, Eisenbahn, , m/ m³, TBM

4 A simple technology... Brunel's tunnelling shield under the Thames Etching in magazine "Museum der Geschichte" from

5 ... labor-intensive and sometimes risky... from Maidl et al.: Mechanised Shield Tunnelling,

6 4. Röhre Elbtunnel, Hydroschild OD = 14,20 m, Lichter DI = 12,7 m, Tübbingdicke 0,70 m

7 Belttunnel (Sicherung und Ausbau mit Stahlbetontübbingen)

8 Definitionen und Abgrenzungen Stollen Stollen sind langgestreckte unterirdische Hohlräume mit Ausbruchquerschnitten von etwa 20 m². Die Neigung der Stollen beträgt max. ca. 12% (Befahrbarkeit). Hauptbauwerke: Freispiegel-, Druckwasserstollen, Düker, Zugangsstollen (z.b. Bergbau, Kavernenbau), Belüftungsstollen Hilfsbauwerke: Injektionsstollen, Sondierstollen, Fensterstollen

9 Definitionen und Abgrenzungen Tunnel Tunnel sind langgestreckte unterirdische Bauwerke mit Ausbruchquerschnitten über 20 m². Sie werden seit mehreren hundert Jahren zum Bau von Verkehrswegen, insbesondere Eisenbahnverbindungen gebaut. Hauptbauwerk: Eisenbahntunnel U-Bahntunnel Straßentunnel

10 Definitionen und Abgrenzungen Schächte Schächte (Vertikal- oder Schrägschächte) sind langgestreckte lotrechte oder stark geneigte (d.h. nicht befahrbare) unterirdische Hohlräume. Hauptbauwerke: Transportschächte (z.b. Trinkwasser, Grundwasser), Transport von Menschen und Material (z.b. Bergbau), Belüftung, Druckausgleich in Verbindung mit Druckwasserstollen (Wasserschloß) Hilfsbauwerke: Schutterschacht, Vermessungsschacht

11 Definitionen und Abgrenzungen Kavernen Kavernen sind unterirdische Hohlräume mit i.d.r. sehr großen Ausbruch-querschnitten, jedoch geringerer Längsausdehnung. Sie dienen meist der Aufnahme stationärere Einrichtungen. Hauptbauwerk: Kraftwerkskaverne Luftschutzkaverne Aufnahme militärischer Einrichtungen (End-)Lagerung von Gefahrstoffen Lagerung von Rohstoffen (Gas, Erdöl)

12 Probleme und Heruasforderungen

13

14 Einleitung Randbedingungen Bauverfahren Risiken

15 Brauchen wir noch neue Tunnelbauwerke?

16 Karlsruhe: Kombilösung für die Kaiserstraße

17 Karlsruhe: Kombilösung für die Kaiserstraße

18 Heidelberg Projekt: Stadt an den Fluss

19 Heidelberg Projekt: Stadt an den Fluss

20 Spannungsfeld bei der Entscheidung für Tunnelbauprojekte Interessensausgleich und Akzeptanz der Beteiligten und Betroffenen Lebensqualität Beeinträchtigung in Bauphase Mobilität Wirtschaftlichkeit Bau Betrieb und Unterhaltung Sicherheit Bau Betrieb und Nutzung

21 Einleitung Randbedingungen Bauverfahren Risiken

22 Kriterium 1: Planungssicherheit Kriterium 2: Ausführungssicherheit - finanzielle Risiken des Auftraggebers - finanzielle Risiken des Auftragnehmers - Risiken Dritter - Risiken für Leib und Leben Dritter - Konstruktionsrisiken Kriterium 3: Geologie und Baugrund Kriterium 4: Grundwasser

23 Kriterium 5: Auswirkungen auf benachbarte Gebäude, Verkehrsanlagen und Versorgungsleitungen Kriterium 6: Auswirkungen auf die Anwohner Auswirkungen auf die Verkehrsführung im Bauzustand Kriterium 7: Konflikte mit Denkmälern / Bodendenkmälern Kriterium 8: Andienung der Baumaßnahme Kriterium 9: Auswirkungen auf Trasse und Gradiente Kriterium 10: Wirtschaftlichkeit

24 Versorgungsleitungen Stadtwerke Versorgungsträger (Telekom, ish, Colt Telecom, global voice, Alcatel etc.)

25 Betroffenheiten Einschränkungen der Wohn- und Lebensqualität

26 Betroffenheiten Zugängigkeiten während der Bauzeit Feuerwehrangriffsmöglichkeiten Rettungswege Anlieferung

27 Einleitung Randbedingungen Bauverfahren Risiken

28 Bauverfahren - offene Bauweise - Charakteristische Bauverfahren: Offene Bauweise Beispiele: Wand-Sohle-Bauweise Baugrubenumschließungen: Bohrträgerverbau, Bohrpfahl-, Spund- oder Schlitzwände Baugrubenabdeckungen: Deckelbauweisen, Hilfsbrücken Sohlausbildungen: Unterwasserbeton- bzw. Injektionssohlen, im DS-Verfahren hergestellte Sohlen Tunnelbauwerk: i. d. R. ein- oder mehrzellige Stahlbetonbauwerke mit Rechteckprofil

29 Bauverfahren - offene Bauweise -

30 Bauverfahren - offene Bauweise -

31 Bauverfahren - geschlossene Bauweise - Charakteristische Bauverfahren: Geschlossene Bauweise Bergmännische Vortriebe: Prinzip: Spritzbetonbauweisen im Bagger-, (Spreng-) oder Druckluftvortrieb temporäre Tragwirkung des umliegenden Gebirges wird berücksichtigt im Lockergestein i. d. R. vorlaufende Sicherungen wie z. B. Spieße, Anker Rohrschirme erforderlich z. T. Baugrundstabilisierung (FEP, DS-Verfahren, Vereisung) Bauwerke: i. d. R. Tunnelbauwerke mit variablem Querschnitt

32 10,25 Tunnelachse Bauverfahren - geschlossene Bauweise ,5 1,00 1,25 3,75 3,5 3,75 3,5 1,00 1, % % ,16

33 Bauverfahren - geschlossene Bauweise - Bochumer Stadtbahnnetz

34 Bauverfahren - geschlossene Bauweise - Stadtbahn Bochum, Baulos D2, Bahnhof Rathaus-Nord ( ) Vortrieb der ersten Bahnhofsröhre Innenschale der ersten Bahnhofsröhre

35 Bauverfahren - geschlossene Bauweise - Stadtbahn Bochum, Baulos D2, Bahnhof Rathaus-Nord ( ) Vortrieb der zweiten Bahnhofsröhre Räumen der Sohle in der zweiten Bahnhofsröhre

36 Bauverfahren - geschlossene Bauweise - Charakteristische Bauverfahren: Geschlossene Bauweise Maschinelle Vortriebe: - Schildvortriebsverfahren mit Tübbingausbau - Rohrvortriebe Bauwerke: i. d. R. Tunnelbauwerke mit Kreisprofil

37 Bauverfahren - geschlossene Bauweise - Tübbingtunnel

38 Tunnelvortriebsmaschinen aus: DAUB Empfehlung für die Auswahl von Tunnelvortriebsmaschinen

39 Tunnelvortriebsmaschinen EPB-TBM (Lovat) Slurry-TBM (Herrenknecht)

40 Prinzip der Ortsbruststützung

41 Bauverfahren - hydraulischer Rohrvortrieb - Rohrvortrieb Bohrverfahren vergleichbar Tübbingtunnel jedoch werden ganze Rohre in den Startschacht eingebracht und der gesamte Rohrstrang vorgepresst

42 Bauverfahren - hydraulischer Rohrvortrieb -

43 Bauverfahren - Sonderbauweisen - Absenktunnel: mittels Eigengewicht werden die Tunnel abgesenkt Boden unter dem Tunnel wird händisch oder mit Wasserspülung entfernt

44 Bauverfahren - Sonderbauweisen -

45 Bauverfahren - Sonderbauweisen -

46 Bauverfahren - Sonderbauweisen -

47 Absenktunnel/Senkkasten Vorteile: Geringer Platzbedarf Kein zusätzlicher Verbau Bauverfahren - Sonderbauweisen - Geringer Materialtransport verdrängtes Material wird sofort wieder eingebaut Nachteile: Gefahr bei Hindernissen im Boden Gefahr des Verrutschens beim Absenken Arbeiten unter Druckluft - z. T. geringe Arbeitszeiten

48 Bauverfahren - Sonderbauweisen - Absenktunnel: mittels Eigengewicht werden die Tunnel abgesenkt Boden unter dem Tunnel wird händisch oder mit Wasserspülung entfernt Eingeschobene Bauwerke: Unterquerung sensibler Bereiche z. B. Bahnanlagen, Hauptverkehrsstraßen

49 Bauverfahren - Sonderbauweisen -

50 Bauverfahren - Sonderbauweisen -

51 Bauverfahren - Sonderbauweisen -

52 Bauverfahren - Sonderbauweisen - Absenktunnel: mittels Eigengewicht werden die Tunnel abgesenkt Boden unter dem Tunnel wird händisch oder mit Wasserspülung entfernt Eingeschobene Bauwerke: Unterquerung sensibler Bereiche z. B. Bahnanlagen, Hauptverkehrsstraßen Druckluftvortriebe: vertikal zur Schachtherstellung horizontal bei ausreichendem Gegendruck

53 Druckluftverluste beim Druckluftvortrieb aus: Brochier-Spezialtiefbau Projektinformationen

54 Druckluftverluste beim Druckluftvortrieb Material und Personen müssen durch eine Druckluftschleuse Arbeitszeiten unter Druckluft eingeschränkt

55 Rheinufertunnel Düsseldorf Druckluftvortrieb

56 Sicherung der Bebauung und Umgebung Bauwerke müssen sicher sein ist die fundamentale Anforderung an den Planer! Vorhandene Bauwerke und vorhandene Anlagen der Infrastruktur sind im Regelfall nicht für Einwirkungen aus Tief- und Tunnelbaumassnahmen ausgelegt, sollen aber auch bei diesen unplanmäßigen Einwirkungen sicher sein.

57 Sicherung der Bebauung und Umgebung Abschätzung der maximal zu erwartenden Senkungseinwirkungen auf das Bauwerk Verträglichkeit des Gebäudes gegenüber den prognostizierten Verformungseinflüssen (empirische und analytische Verfahren) ggf.: Planung von zusätzlichensicherungsmaßnahmen

58 Schneidrad Sicherung der Bebauung und Umgebung Vorhandene Bebauung Schildmantel Ringspalt Tübbinge Stützung der Ortsbrust durch Bentonit- Suspension und Druckluftpolster Nachläufer Vortriebsrichtung Umlaufende Dichtung Schildmantel Kontinuierliche Mörtelverpressung des entstandenen Ringspaltes Tübbinge

59 Sicherung der Bebauung und Umgebung Entspannung der Ortsbrust und vorlaufende Verformungen

60 Sicherung der Bebauung und Umgebung Verformungen der Ausbruchslaibung

61 Sicherung der Bebauung und Umgebung Abschätzung der Verformungen: Analytische Verfahren Tiefenabhängige Ausbreitung der Senkungsmulden

62 Sicherung der Bebauung und Umgebung Verformungseinwirkungen auf tangierte Bauwerke

63 Sicherung der Bebauung und Umgebung Abschätzung der Verformungen: Numerische Verfahren ~12,0 mm ~12,3 mm ~9,5 mm

64 Sicherung der Bebauung und Umgebung Empirische Bewertung der Setzungsverträglichkeit der bestehenden Bausubstanz

65 Sicherung der Bebauung und Umgebung Sicherungsmaßnahmen Baugrund

66 Sicherung der Bebauung und Umgebung Sicherungsmaßnahmen Baugrundertüchtigung Oberflächenmaßnahmen Injektionsverfahren Gefrierverfahren Verdichtung Bodenaustausch Einpressverfahren Düsenstrahlverfahren

67 Einleitung Randbedingungen Bauverfahren Risiken

68 Tunnel sollen aufgefahren werden oberflächennah in schwierigsten Baugrundund Grundwasserverhältnissen... unterhalb von bestehender setzungsempfindlicher Bebauung, Verkehrsanlagen und Leitungen der Ver- und Entsorgung... benutzerfreundlich, d.h. auch überschaubar und ohne den freien Blick verwehrende Einbauten wie Stützen und Zwischenwände... ohne technische und finanzielle Risiken... bei Erfüllung aller Bestimmungen zum Umweltschutz... mit geringsten Herstellungs- und später zu erwartenden Unterhaltungskosten

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70 Neubau eines U-Bahntunnels in bergmännischer Bauweise

71 Planung liefert: prognostizierte Auswirkungen Havarie- und Störfallkonzepte ( Was mache ich wann?)

72 Risikomanagement - Wirtschaftlichkeit

73 Tunnelbauwerke haben einen wesentlichen Anteil an der Lebensqualität und Mobilität der Menschen in Ballungszentren Es existieren Bauverfahren und Baumethoden um unter Berücksichtigung der sensiblen Randbedingungen Tunnelbauwerke in Ballungszentren zu errichten Grundlage für eine sichere und Risiko minimierte Ausführung ist eine systematische Planung von der ersten Idee bis zur Ausschreibung Zwingend erforderlich ist die Anwendung des baubegleitenden Abgleichs zwischen Soll und Ist und der Organsiation fachlich kompetenter Eingreifgremien

74 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!