Stuttgart 21, Tunnel im quellfähigen Gebirge Sitzung des Lenkungskreises

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Eleonora Meinhardt
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1 Prof. Dr.-Ing. W. Wittke Beratende Ingenieure für Grundbau und Felsbau GmbH Worldwide Engineering Stuttgart 21, Tunnel im quellfähigen Gebirge Sitzung des Lenkungskreises Wir erläutern Ihnen heute: die Grundlagen des Tunnelbaus im Anhydrit, die Definition der "relevanten" Bereiche, erfolgreich ausgeführte Tunnelbauwerke der DB, die Tunnel des Projekts Stuttgart 21, das Maßnahmenpaket zum Bauen im Anhydrit, warum wir erfolgreich im Anhydrit bauen werden und dass wir in den bereits durchfahrenen "relevanten" Abschnitten erfolgreich gebaute haben

2 Gipskeuper, ausgelaugt und unausgelaugt, Prinzip 2

3 Quellen von Anhydrit, Prinzip 3

4 Überlagerung ca. 80 m Ausbruchsdurchmesser 2- gleisiger Abschnitt ca. 12,5 m standsicher mit Versiegelung aus ca. 5 cm Spritzbeton trocken gebaut Druckfestigkeit Gestein wurde nicht überschritten Beispiel Wendeschleife der S-Bahn Stuttgart Gesteinsfestigkeit wird nicht überschritten 4

5 Klüfte: Schichtfugen: 1 2 Bereich 2 Bereich 1 durch den Tunnelbau kommt es zu Änderungen der Beanspruchung im Gebirge Änderung der Beanspruchung führt zu einer Öffnung der horizontalen Schichtfugen und vertikalen Klüfte und dadurch zu einer Vergrößerung der Wasserdurchlässigkeit Veränderung der Spannungsverhältnisse im Gebirge durch den Tunnelbau, Prinzip 5

6 "relevant" "relevant" Bereiche in denen durch den Tunnelbau eine Verbindung vom wasserführenden zum anhydritführenden Gebirge entstehen kann, werden als "relevant" bezeichnet. Liegt das wasserführende Gebirge nur wenige Meter oberhalb der Tunnelfirste, kommt es von oben nicht mehr zu Wasserzutritten. Tunnel im Einflussbereich von Anhydrit, Prinzip 6

Aushub Tunnel Berechnungen nach der Methode der Finiten Elemente (FE-Methode) Fels Quelldruck Auflockerungszone Sicherung Kalibriert am Versuchsstollen im Freudensteintunnel

7 Aushub Tunnel Berechnungen nach der Methode der Finiten Elemente (FE-Methode) Fels Quelldruck Auflockerungszone Sicherung Kalibriert am Versuchsstollen im Freudensteintunnel Verifiziert an ausgeführten Tunneln Wasseraufnahme Dauer einer Berechnung (Simulationszeitraum 100 Jahre): ca. 10 bis 14 Tage Quellen Wasserzutritt Modell und Berechnungsverfahren 7

Wendeschleife (Abschluss Rohbau: 1977) Hasenbergtunnel (Abschluss Rohbau

einschließlich der jeweiligen "relevanten" Bereiche erfolgreich gebaut.

Gebirge zu bauen: Fildertunnel Tunnel nach Ober-/Untertürkheim Tunnel nach

8 Wendeschleife (Abschluss Rohbau: 1977) Hasenbergtunnel (Abschluss Rohbau 1984) Freudensteintunnel (Inbetriebnahme 1991) Die DB AG hat drei Tunnel einschließlich der jeweiligen "relevanten" Bereiche erfolgreich gebaut. Für das Projekt Stuttgart 21 sind vier weitere Tunnel im anhydriführenden Gebirge zu bauen: Fildertunnel Tunnel nach Ober-/Untertürkheim Tunnel nach Bad Cannstatt Tunnel nach Feuerbach DB-Tunnel im quellfähigen Gebirge (1970er Jahre bis heute) 8

9 Fildertunnel Tunnel Bad Cannstatt Tunnel Ober-/Untertürkheim Tunnel Feuerbach Tunnel des Projekts Stuttgart 21, Längsschnitte (2010) 9

10 Nach dem Konzept der Ausschreibung sollten die Tunnel in den "relevanten" Abschnitten des PFA 1.5 nach dem Ausweichprinzip gebaut werden. In den übrigen Bereichen war das Widerstandsprinzp vorgesehen. Querschnitte gem. Ausschreibung/Entwurf 10

11 ~1,9 m ~20,5 m ~21 m In 2014 hat WBI die Beobachtungen beim Bau und Betrieb des Engelbergbasistunnel untersucht. Untersuchungen haben zu den Änderungen des Bauverfahrens für das Projekt Stuttgart 21 geführt. Engelbergbasistunnel, Querschnitt 11

Wasserzutritte von oben verringert, wenn der Anhydritspiegel in

12 Zonen mit großer Durchlässigkeit Ausweichprinzip/ VNS-Querschnitt U-Profil Durch die geänderte Querschnittsform werden Wasserzutritte von oben verringert, wenn der Anhydritspiegel in der unteren Hälfte des Querschnitts ansteht. Ersatz VNS-Querschnitt durch U-Profil 12

13 Injektionen mit Polyurethan Durchfahren der Auslaugungsfront, Vorauseilende Abdichtung, Prinzip 13

14 Abdichtungbauwerk 14

15 Injektionen Nachlaufende Abdichtung "Anhydrit", Prinzip 15

16 Mehrere Jahrzehnte Forschung und Entwicklung: Modellbildung Berechnungsverfahren Kalibrierung und Validierung anhand von Labor- und Feldversuchen sowie ausgeführten Tunneln Wahl der Querschnittsform (Kreisprofil oder U-Profil): Im Hinblick auf Vermeidung/Minimierung von Wasserzutritten Im Hinblick auf Standsicherheit Vortrieb und Sicherung: Trockenes Arbeiten Schneller Sohlschluss Steife Spritzbetonschale Keine Anker Abdichtung: Vorauseilende Injektionen / Abdichtung der wasserführenden Auslaugungsfront Nachlaufende Injektionen / Abdichtung des anhydritführenden Gebirges Bau von Abdichtungsbauwerken zur Vermeidung einer Grundwasserströmung entlang des Tunnels Überwachung und Überprüfung beim Bau: Bestimmung der Sulfatanteile beim Bau (Probennahme im Tunnel und Durchführung zusätzlicher Erkundungsbohrungen) Messungen beim Bau und im Betrieb Vorgehen zwischen DBPSU, WBI und den Baufirmen abgestimmt und von den EBA-Sachverständigen (Dr. Rauscher/Dr. Eckl, Dr. Städing, Dr. Handke) geprüft. Maßnahmenpaket erstmals für Stuttgart 21 16

17 Bad Cannstatt Linse 3 - Feuerbach (100 % aufgefahren) Linse 1 Bad Cannstatt (~50 % aufgefahren) Hbf Feuerbach Linse 1 Feuerbach (0 % aufgefahren) PFA 1.5 Tunnel im Einflussbereich von Anhydrit (Stand der Bauarbeiten ) 17

18 Erkundungsbohrungen: Sohle ca. alle 20 m Seitlich an ausgewählten Querschnitten ~55 m Bleiglanzbank Tunnel ~45 m Bochinger Horizont Tunnel nach Feuerbach (Röhre 258), Linse 3, Längsschnitt 18

19 Senkungen Ds [mm] Bleiglanzbank Tunnel ~45 m Bochinger Horizont Tunnel nach Feuerbach (Röhre 258), Linse 3, Firstsenkungen 19

20 7 km1drm ~1,2 m Vortrieb 258F, Erkundungsbohrungen bei TM

7 A Gipskeuper, ohne Anhydrit Gipskeuper, quellfähig Bochinger Horizont A 1 m

21 Quartär Spritzbeton Folie, 3 cm (kein Schub II, kein Zug in allen Richtungen) ~60 m 6.6 m 82 m Ausgelaugter Gipskeuper Stahlbeton 10.7 A Gipskeuper, ohne Anhydrit Gipskeuper, quellfähig Bochinger Horizont A 1 m ~ 55 m A Gipskeuper, quellfähig Lettenkeuper A A Detail FE-Netz, Linse 3, Tunnel nach Feuerbach 21

22 d z [mm] GOF Fall 1 (EOZ6N) Fall 2 (EOZ6NN) Fall 3 (EOZ8N) Zeit [Jahre] Prognoserechnungen zeigen, dass es zu geringen Hebungen kommt. Mit unterschiedlichen Annahmen (vertikale Gebirgsdurchlässigkeit, Dauer der temporären Entwässerung im Bauzustand) ergeben sich Sohlhebungen von weniger als 1 cm in 100 Jahren. Diese haben praktisch keine Auswirkungen auf die Gleislage und Drittschäden sind nicht zu erwarten. Hebungen treten in den ersten Jahren nach Einbau der Innenschale auf. Linse 3, Tunnel nach Feuerbach, Prognose der Hebungen 22

23 max. Sohlhebungen: Erkundungsbohrungen: Sohle ca. alle 20 m Firste ca. alle 40 m Tunnel ~260 m ~75 m Bochinger Horizont ~280 m Tunnel nach Bad Cannstatt, Vortrieb 3B, Linse 1, Längsschnitt 23

24 Abdichtungsbauwerk ~75 m Bochinger Horizont ~280 m Injektionen umlaufend Injektionen Bochinger Horizont Injektionen umlaufend Tunnel nach Bad Cannstatt, Vortrieb 3B, Linse 1, Abdichtungsbauwerke und Injektionen "Anhydrit" 24

25 Bad Cannstatt ungefähre Lage Abdichtungsbauwerke, Stand Linse 3 - Feuerbach ("relevant") Hbf Feuerbach Linse 1 (nur an Übergängen "relevant") Abdichtungsbauwerke grenzen trockene Bereiche von wasserführenden Bereichen ab. Nach derzeitigem Kenntnisstand sind im Hinblick auf Hebungen nur die Linse 3 und die Linse 2 im Tunnel Bad Cannstatt "relevant". Bei übrigen Linsen werden nur die Übergänge am Anfang und Ende als "relevant" angesehen. In "relevanten" Bereichen werden umfangreiche Injektionen mit Acrylatgelen zur Abdichtung des Gebirges durchgeführt. PFA 1.5 Tunnel im Einflussbereich von Anhydrit Abdichtungsbauwerke und "relevante" Bereiche 25

26 Das neue Bauverfahren beinhaltet ein Maßnahmenpaket, das in dieser Form erstmals für das Projekt Stuttgart 21 erfolgreich angewendet wird. Es basiert auf den Ergebnissen von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten von mehr als 30 Jahren. Entsprechend der allgemeinen Vorgehensweise im Ingenieurwesen wurde ein Modell und Berechnungsverfahren entwickelt, das anhand der Ergebnisse eines über mehr als 20 Jahre durchgeführten Großversuchs der DB kalibriert wurde. Die Verifikation erfolgte anhand mehrere ausgeführter Tunnel. Das Maßnahmenpaket besteht aus trockenem Bauen (trocken Bohren und Schuttern, keine bzw. nur örtlich Anker, vorauseilende Injektionen, Vakuumlanzen an Feuchtstellen), eine angepasste Querschnittswahl, nachlaufende Abdichtungsinjektionen, Abdichtungsbauwerken und eine ausreichende Bemessung der Innenschale. Zwei der von der DB in der Vergangenheit erfolgreich im Anhydrit gebauten Tunnel wurden von Prof. Wittke / WBI als Baugrund- und Tunnelbautechnischer Sachverständiger sowie Prüfer betreut. Hier wurden nur Teile des o. g. Maßnahmenpakets umgesetzt. Die Prognosen zeigen, dass mit nennenswerten Hebungen nicht zu rechnen ist. Ob Hebungen auftreten, wird sich in den ersten zwei Jahren nach Einbau der Innenschale zeigen. Hebungen bis 8 cm könnten durch höhenadjustierbare Gleissysteme ausgeglichen werden. Zu Hebungen, die Maßnahmen zur Gleislagekorrektur erfordern und die zu nicht nur unwesentlichen Drittschäden führen, wird es bei ordentlicher Bauausführung nicht kommen. Das Restrisiko ist vernachlässigbar. Zusammenfassung/Schlussfolgerungen 26

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