gotthard-basistunnel:

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1 16 FACHTHEMA gotthard-basistunnel: Verzweigungsbauwerk Faido Der Gotthard-Basistunnels (GBT) ist das Resultat einer langjährigen Projektgeschichte. Der Konzeptentscheid des Bundesamtes für Verkehr für ein zweiröhriges Tunnelsystem mit Querschlägen in regelmäßigen Abständen fiel bereits Die Linienführung konnte aber unter anderem erst aufgrund der Erkundungsbohrungen aus dem Sondiersystem Piora definitiv festgelegt werden. autor Raphael Wick

2 17 ein jahrhundert-bauwerk deutschland frankreich schweiz austria italien LINIENFÜHRUNG IM GRUND- UND AUFRISS Die geschwungene, leicht S-förmige Linienführung mit minimalen Kurvenradien von m, welche für die Ausbaugeschwindigkeit von 250 km/h ausgelegt sind, ergab sich aus verschiedenen Zwangspunkten: Lage der Portale: topografische Gegebenheiten, Anbindung an das Streckennetz und Eingliederung in die Landschaft Geologie: Vermeiden von schwierigen Lockergesteinsabschnitten beim Nordportal, Durchörterung des Tavetscher Zwischenmassivs an der schmalsten Stelle, Verschiebung der Linienführung um 180 m nach Westen im Bereich der Piora-Zone. Stauseen: Umfahren der drei Stauseen Curnera, Nalps und Santa Maria, um Setzungen der Staumauern infolge Drainage durch den Tunnelbau zu minimieren Zwischenangriffe: einfache Zugangsmöglichkeiten, ausreichend Platz für Baustellenlogistik Das Längsprofil mit den Zwangspunkten bei den Portalen in Erstfeld und Bodio wurde optimiert, damit der Kulminationspunkt zwar möglichst tief bei 549,65 m. ü. M.

3 18 FACHTHEM A liegt, das Gefälle aber dennoch ausreicht, um die prognostizierten Wassermengen im Normalabfluss abführen zu können (maximales Gefälle im Nordabschnitt 4,06, im Südabschnitt 6,76 ). Dies führte zwar zu längeren Zwischenangriffen und tieferen Schächten in Sedrun, dafür ergeben sich im Betrieb erhebliche Einsparungen bei der Traktionsenergie. Um die Bauzeit und damit die Kosten zu optimieren, wurde der GBT von Nord nach Süd in fünf Teilabschnitte untergliedert. E INSPU R RÖHR E N U ND QU E R S CHL ÄG E Der Regelabstand der beiden Einspurtunnel beträgt 40 m, im Teilabschnitt Sedrun wurde er aus felsmechanischen Überlegungen auf 70 m erweitert. Die Schienenoberkante der beiden Tunnelröhren liegt auf derselben Höhe, die Entwässerung der Querschläge erfolgt über ein Dachgefälle in Richtung der Einspurtunnel. Die Länge der Ost röhre beträgt 57,104 km, davon sind 56,075 km bergmännisch aufgefahren worden (Weströhre 57,017 km, davon 56,041 km bergmännisch). Der Anteil des Vortriebs mittels Tunnelbohrmaschine liegt bei rund 75 %. Technische Daten zu Abschnittslän gen und Ausbruch querschnitten TBM = Tunnelbohrmaschine SPV = Sprengvortrieb NP = Normalprofil TV = Tunnelverzweigung

4 19 Typisches Normalprofil Insgesamt sind 178 Querschläge mit einem Regelabstand von 312,5 m erstellt worden, die heute mit Fluchttüren und mit Bahntechnikausrüstungen versehen sind. Zusätz lich wurden einige baulogistische, meist schräg verlaufende Querverbindungen ausgebrochen, die nach Abschluss der Rohbauarbeiten in der Regel mit Beton verfüllt wurden; nur einzelne wurden vollständig ausgebaut. NOR M A LPROFIL Aus aerodynamischen Gründen (glatte Oberfläche zur Reduktion des Luftwiderstandes bei hohen Zuggeschwin digkeiten) und wegen der hohen Dichtigkeitsanforderungen erwies sich ein zweischaliger Ausbau mit Regenschirmabdichtung und geschaltem Betongewölbe als zweckmässigstes Ausbaukonzept. Betriebliche Anforderungen Der Tunnelquerschnitt wird im Wesentlichen von den folgenden Nutzungsanforderungen bestimmt: Lichtraumprofil EBV 4, Stromabnehmerraum EBV S3 Minimale freie Querschnittsfläche von 41 m2 Anzahl und Dimension der Kabelschutzrohre (KSR) in den Banketten: Tunnelaußenseite 2 x 3 KSR 120 / 132 mm, Querschlagsseite 2 x 3 KSR 100 / 112 mm plus 4 x 3 KSR 40.8 / 50 mm Höhe und Geometrie der Bankette: Im Ereignisfall gute Ausstiegsmöglichkeit aus dem Zug sowie Aufstiegsmöglichkeit auf die Bankette von der Fahrbahn aus; Breite beidseitig mindestens 1,00 m Aufbau und Konstruktion der Fahrbahn mit schotterlosem Oberbau («Feste Fahrbahn») Technischer Nutzraum 10 cm entlang der Gewölbe abwicklung Dichtigkeitsanforderung: Maximal zulässiger Wassereintritt durch das Tunnelgewölbe pro Röhre von weniger als 35 g/s je Tunnelkilometer Trennsystem: Zusätzliche, siphonierte Leitung (di = 290 mm) für die Entwässerung der Fahrbahn und zur Ableitung der initialen Freisetzungsrate bei einem Leck in einem Tankwagen von 125 l/s Geotechnik Das breite Spektrum der geologisch-geotechnischen Ver hältnisse mit unterschiedlichsten Gefährdungsbildern führte zu einer großen Bandbreite der erforderlichen Sicherungsmittel und zu berücksichtigenden Deformationen. Deshalb variiert der Raum für die Ausbruchsiche- Querschnitt eines Querschlages rung von 5-18 cm in günstigen Bereichen (Bodio) bis zu 30 cm im Teilabschnitt Faido bei schlechten Gebirgseigenschaften und großer Überlagerung von mehr als m. Der Platz für die Aufnahme von Deformationen variiert zwischen 5 cm und 15 cm. Die besonderen geotechnischen Verhältnisse im Teilabschnitt Sedrun führten zu Ausbruchsicherungen von bis zu 40 cm Dicke und Radialdeformationen bis 70 cm die zu berücksichtigen waren. In den Teilabschnitten Amsteg und Faido war zusätzlicher Raum zur Aufnahme der Hebungen infolge rezenter Störungen (noch aktive Hebungszonen) von insgesamt 10 cm beziehungsweise 7 cm für 100 Jahre Nutzungsdauer bereitzustellen. Aus dem erforderlichen Tragwiderstand ergab sich für den Normalfall eine Innenverkleidung von 25 cm bis 35 cm, im Teilabschnitt Sedrun hingegen von bis zu 1,20 m. Die vorwiegend auf Druck beanspruchte Innenschale wurde in der Regel nicht bewehrt. Lediglich in gestörten oder unregelmäßigen Querschnitten wie zum Beispiel bei Nischen, Querschlaganschlüssen und Aufweitungen oder bei druckhaftem Gebirge sind Bewehrungen zur Beherrschung von Zugspannungen und zur Risssicherung eingesetzt worden (Anteil bewehrte Strecke < 10 %). Hydrogeologie In den Teilabschnitten Amsteg und Sedrun waren Bergwasserzuflüsse von mehreren hundert l/s prognostiziert worden. Daraus ergab sich für die Hauptdrainageleitung ein erforderlicher Rohrdurchmesser von 630 mm und für die seitliche Gewölbedrainage ein Durchmesser von 200 mm. Zur Vereinfachung des Unterhaltes wurden für den ganzen GBT einheitliche Rohrdurchmesser festgelegt. Bei der Gestaltung der Gewölbeentwässerung wurde sowohl die Beulproblematik als auch die Problematik eines möglichen Druckaufbaus infolge Verstopfung oder Versinterung der Drainageleitung berücksichtigt. Das Ergebnis waren großzügige Drainageräume, breite Drainageschlitze in den Drainageleitungen sowie bauliche Maß nahmen zur Eindämmung der Versinterungsgefahr (Einlegen von Depotsteinen in die Sickerpackung und Spül röhrchen für das Beigeben von Stabilisierungsmittel). Zur Verhinderung von Beulen wurde die Hauptdrainageleitung zudem oben mit Löchern versehen.

5 20 FACHTHEMA Schemabild der Abdichtung im Bereich der Sohle Brillenwand im Verzweigungsbauwerk Ost Trennsystem Die im Betriebszustand erforderlichen Abflussquerschnitte der Hauptdrainageleitung und das vom Bundesamt für Verkehr verfügte Trennsystem beeinflussten die Geometrie im Sohlbereich wesentlich. Aus Sicherheitsgründen musste die Baurigole in der Lage sein, die prognostizierten initialen Wasserzutritte von bis zu l/s vollständig abzuleiten, ohne dass die rückwärtigen Arbeitsstellen überflutet werden. Zum Glück waren die Baustellen nie von den prognostizierten Wassereinbrüchen betroffen. Der Durchmesser der Schmutzwasserleitung für die Fahrbahnentwässerung beträgt 315 mm, die Einlaufschächte sind siphoniert. Durch die Leitung fließt im Betriebszustand ein Stetslauf von 5 l/s Wasser. Versuche haben gezeigt, dass diese Wassermenge die Auswirkungen explodierender Flüssigkeiten in der Schmutzwasserleitung wesentlich eindämmt und sich durch die permanente Füllung der Siphonschächte kein Feuer über diese Leitung ausbreiten kann. Abdichtung Aufgrund der prognostizierten sehr großen Wasserzuflüsse in Kombination mit teilweise sehr hohen Bergwasserdrücken kam nur ein zweischaliger Ausbau mit druckloser Ableitung des Bergwassers in Frage (Ableitkonzept). Mit einer Regenschirmabdichtung wird einsickerndes Berg wasser zu den seitlichen Gewölbedrainageleitungen geführt und von dort alle 100 m über Gewölbedrainageschächte in die Hauptdrainageleitung entlastet. In der Sohle übernimmt der Sohlbeton die primäre Abdichtungsfunktion. Außen liegende Fugenbänder in den Quer fugen des Sohlbetons sowie längs und quer laufenden Noppenbahnen ergänzen das System. Mit der gewählten Lösung konnten die Anforderungen an den maximalen Wassereintrag von 35 g/s je Tunnelkilometer erfüllt werden. In Teststrecken zwischen Amsteg und Sedrun wurden Werte von 13 g/s km und zwischen Faido und Bodio von etwa 24 g/s km gemessen. Bautechnische Anforderungen Bei der Profilgestaltung wurde neben dem bautechnischen Nutzraum von 10 cm für spätere Interventionen auch 12 cm Platz für zufällige bauliche Abweichungen, wie Ausführungs ungenauigkeiten, Absteckungsfehler und Steue- rungsfehler der Tunnelbohrmaschinen-Fahrt ( 10 cm ) berücksichtigt. Der Durchschlagsfehler wurde hingegen nicht berücksichtigt, da eine Erweiterung auf der gesamten Strecke zu unverhältnismäßig hohen Kosten geführt hätte. Die sehr langen Vortriebsstrecken bei einem Ausbruchdurchmessers von rund 9 m erforderten zwingend einen Gleisbetrieb für die Versorgung. Zur Optimierung der Trans portleistung wurde dieser zweigleisig geplant, wobei alle vier Schienen einen einheitlichen Abstand von 900 mm aufweisen, damit bei Bedarf auch in der Mitte gefahren werden kann. Normalprofilgestaltung Mit Ausnahme des Teilabschnitts Sedrun wurde der ganze GBT mit offenen Tunnelbohrmaschinen aufgefahren (total rund, 75 % der gesamten bergmännischen Strecke). Die vorangehenden Ausführungen beschränken sich deshalb vorwiegend auf die Abschnitte Erstfeld, Amsteg, Faido und Bodio. Die Überlegungen gelten aber sinngemäß auch für die Strecken mit Sprengvortrieb. Die unterschiedlichen Bedingungen in den einzelnen Teilabschnitten, insbesondere bezüglich Geologie und Überlagerung, führten dazu, dass der Bohrdurchmesser in Bodio 8,80 m, in Faido 9,34 m und in Erstfeld und Amsteg 9,55 m betrug. NEBENBAUWERKE Neben den beiden Einspurtunneln mit den Querschlägen mussten für den Bau und Betrieb des Basistunnels diverse Nebenbauwerke erstellt werden. Der vorliegende Artikel beschränkt sich auf die wichtigsten bergmännisch erstellten Bauwerke. Unterirdisches Verzweigungsbauwerk Erstfeld Für die spätere Realisierung einer Tunnelverlängerung in Richtung Norden wurden in der Ost- und Weströhre des Gotthard-Basistunnels je eine unterirdische Verzweigung erstellt, damit die künftigen Bauarbeiten ohne Störung des Bahnbetriebes erfolgen können. Die Verzweigungsbauwerke bestehen jeweils aus einer 366 m (Ost) bzw. 390 m (West) langen Aufweitungsstrecke und einer abzweigenden Röhre von 141 m (Ost) bzw. 181 m (West) Länge.

6 21 Betonieretappe im Teilabschnitt Amsteg Die Aufweitung erfolgt trompetenförmig bis zu einem Achsabstand der Gleise von etwa 12 m (Ausbruchquerschnitt von 71,6 m² auf 197 m 2 ). Die Spannweite des Ausbruchs beträgt an dieser Stelle rund 22 m. Der Aufweitungsbereich ist analog zu den Einspurtunneln zwei schalig mit einem Ortbetoninnengewölbe ausgebaut. Die abzweigenden Röhren (Ausbruchquerschnitt 68,5 m 2 ) sind nur auf den ersten 10 m nach der Brillenwand zwei- schalig ausgebaut, auf der restlichen Strecke wurde lediglich eine Spritzbetonsicherung realisiert. Gegen den GBT sind sie mit einer Abschlusswand abgetrennt. Zugangsstollen und Baustollen Amsteg Im Teilabschnitt Amsteg wurden die beiden Einspurtunnel über einen separaten Zugangsstollen ab Silenen / Amsteg erschlossen. Dieser Zugangsstollen besteht aus einer rund 44 m langen Tagbaustrecke und dem

7 22 FACHTHEM A Bewehrungs anschluss Über gang Rauch abzugsschacht / Tunnelgewölbe Tunnelwechsel aufweitung Sedrun Kreuzungsbauwerk zwischen Baustollen und Einspurtunnel West anschließenden 1,8 km langen, mit 1,05 % fallenden berg männischen Stollen. Der lichte Querschnitt beträgt rund 57 m2 bei einem Ausbruchquerschnitt von 60,3 m2. Nach der Kreuzung mit dem Kabelstollen folgt der rund 300 m lange Baustollen bis zur Achse des Einspurtunnels West und weiter zum Einspurtunnel Ost. Damit war die Erschließung der Vortriebe mit einer Stollenbahn und einem Förderband möglich. Zugangsstollen und Baustollen sind mit einer einschaligen Spritzbetonverkleidung versehen. Kabelstollen und Speispunkt Amsteg Für die Bahnstromversorgung des GBT wurde vom Basistunnel aus ein Kabelstollen zur neuen Kavernenzentrale des Kraftwerkes (KW) Amsteg erstellt. Der Kabelstollen hat eine Länge von m und eine mittlere Steigung von 2,2 %. Der Vortrieb erfolgte mittels Tunnelbohrmaschinen mit einem Ausbruchdurchmesser von 3,50 m. Der Kabelstollen ist einschalig mit Spritzbeton ausgekleidet. In der Verlängerung des Kabelstollens folgt der Speispunkt Amsteg mit dem Bahntechnikgebäude, das die Anlagen zur Bahnstromversorgung, Steuerung und Überwachung des Basistunnels enthält. Der Speispunkt ist 156 m lang bei einer maximalen Ausbruchfläche von rund 121 m2 und ist einschalig mit Spritzbeton ausgekleidet. Kabelstollen Multifunktionsstelle Sedrun Die Multifunktionsstelle Sedrun besteht aus je einer 450 m langen Nothaltestelle pro Tunnelröhre und zwei Tunnelwechseln. In der Nothaltestelle können Personen aus havarierten Zügen evakuiert werden. Sie begeben sich vom Bahnsteig der Nothaltestelle über fünf Verbindungsstollen in den unter Überdruck stehenden Seitenstollen (Fluchtstollen) und erreichen über diesen die Nothaltestelle der Gegenröhre. Der Überdruck in der Nothaltestelle wird über ein dafür eingerichtetes Lüftungs system über Schacht I (Zuluft) und Schacht II (Abluft) sichergestellt. Der Rauch eines brennenden Zuges wird über die sieben Abluftvertikalschächte je Tunnelröhre, die Abluftstollen und über die Seitenstollen (Bereiche mit Zwischendecke) zum Schacht II geleitet. Im Bereich der Längskaverne I wird die Abluft in Abluftkanälen geführt. In den Längs- und Querkavernen sind Räume für die Betriebs installationen angeordnet. Im baulogistischen Verbindungsstollen Süd 1 (Kraftwerksstollen) befinden sich Installationen für das Kleinwasserkraftwerk sowie die Wasserbecken zur Einspeisung des Stetslaufs. Sämtliche Kavernen und Nebenbauwerke sind einschalig mit Spritzbeton ausgekleidet. Die Verbindungsstollen und

8 23 Schachtkopfkaverne Sedrun mit Abluftventilatoren Seitenstollen im Bereich mit Zwischendecke wurden zweischalig mit geschalter Innenverkleidung ausgebaut. Besondere Isolations- oder Schutzmaßnahmen waren im Bereich der Rauchabsaugung von der Nothaltestelle bis zum Schacht II vonnöten. Die Temperaturbelastung schwankt im Ereignisfall von anfänglich etwa 650 C beim Abluftvertikalschacht bis etwa 400 C beim Eintritt in den Schacht II. Im Verzweigungsbereich der Abluftkanäle wurde zum Schutz der Baustruktur ein Brandschutzmörtel aufgebracht. Der Anschluss der Abluftvertikalschächte an das Innengewölbe der Tunnelverkleidung der Nothaltestellen musste aufgrund der möglichen Verformungen im Ereignisfall thermisch resistent vergrößert werden ein bezüglich Planung und Ausführung sehr komplexes Detail. Schächte I + II, Abluftstollen und Zugangsstollen, Sedrun Während der Bauphase dienten die beiden Schächte für die Ver- und Entsorgung der vier Vortriebe, je zwei nach

9 24 FACHTHEMA Einspurtunnel inner halb Multifunktionsstelle Einspurtunnel Abluftstolle Nothaltestelle Porta Alpina Sedrun Wartehallen Querschläge Tunnelwechselaufweitung baulog. Verbindungsstollen Verbindungsstollen Seitenstollen mit Abluftkanal Seitenstollen ohne Abluftkanal Quer-/Längskavernen verfüllte baulog. Verbindungsstollen Norden und nach Süden. Schacht I (Ausbruchdurchmesser 8,60 m, nutzbarer Innendurchmesser 7,90 m) ist 796 m tief und dient im Betriebszustand der Luftversorgung der Multifunktionsstelle Sedrun und als Trasse für Steuerund Stromkabel. Zudem wird in einer Druckleitung von 140 mm Durchmesser das Stetswasser von 20 l/s zugeführt, das in der Längskaverne I in einem Kleinwasserkraftwerk turbiniert wird (Anlagenleistung 220 kw). Schacht II ist 784 m tief (Ausbruchdurchmesser 7,00 m, nutzbarer Innendurchmesser 6,40 m) und dient lediglich als Abluftkamin bei einem Brandereignis in der Multifunktionsstelle Sedrun. Er ist einschalig mit feuerfestem Spritzbeton ausgekleidet. Der Schachtkopfbereich ist etwa 50 m hoch, der größte Ausbruchquerschnitt beträgt 260 m 2 bei einer Spannweite von bis zu 21 m. Er war während der Bauarbeiten für das Abteufen der Schächte und danach für die Personen- und Materialförderung im Schacht I und II und den Materialumschlag gebaut worden. Mit einer Erweiterung wurde Platz geschaffen für die Lüftungszentrale mit allen notwendigen Versorgungsräumen. Von der Schacht kopfkaverne zweigt der 255 m lange Entlüftungsschrägschacht ins Val Nalps ab (Steigung 75 %, Querschnittsfläche 14 m 2 ). Die Erschließung der Schachtkopfkaverne erfolgt über einen 900 m langen Zugangsstollen mit einem Ausbruchquerschnitt von rund 36 m 2. Multifunktionsstelle Faido Die Multifunktionsstelle Faido musste während der Ausbrucharbeiten infolge der geologisch schwierigen Verhältnisse umprojektiert werden. Sie weist deshalb einige Besonderheiten auf und unterscheidet sich im Layout von jener von Sedrun, insbesondere die Fluchtstollen sind infolge der Umprojektierung wesentlich länger geworden. Die geologischen Gegebenheiten erforderten teilweise Ausbruchquerschnitte bis zu 330 m 2. Das Rettungskonzept ist jedoch gleich geblieben. Zugangsstollen Faido Der m lange Zugangsstollen mit einem Ausbruchquerschnitt von 64,6 m 2 weist ein Gefälle von 12,7 % und ein Lichtraumprofil von 6,0 m x 4,0 m auf. Er wurde spreng technisch aufgefahren. Im Zugangsstollen befinden sich Kabelschutzrohre und Wasserleitungen, welche ebenfalls die Multifunktionsstelle versorgen. Zudem erfolgt die Zu- und Abluft der Multifunktionsstelle über den Zugangsstollen. Dipl.-Bauing. Raphael Wick Vorsitzender der Geschäftsleitung von Gähler und Partner AG, Ennetbaden Herr Wick ist Gesamtleiter der Ingenieurgemeinschaft GBT Nord, die die beiden Teilabschnitte Erstfeld und Amsteg plante. Der Artikel basiert auf zwei Beiträgen von Alex Sala und Raphael Wick im neuen Buch Tunnelling the Gotthard der FGU (Swiss Tunneling Society). Detaillierte Angaben und technische Daten zum Gotthard-Basistunnel können dort nachgeschlagen werden.