Prof. Dr.-Ing. Karsten Körkemeyer

Saturday LearnING an der TU Kaiserslautern, 14.11.2015 Prof. Dr.-Ing. Karsten Körkemeyer

Bauen unter der Erde – Hightech und Abenteuer

Saturday LearnING

an der TU Kaiserslautern, 14.11.2015

Mit Unterstützung durch Herrn Dr.-Ing. Speier,

Lehrbeauftragter am Lehrstuhl Baubetrieb und Bauwirtschaft seit Sommersemester 2011

Saturday LearnING an der TU Kaiserslautern, 14.11.2015 Prof. Dr.-Ing. Karsten Körkemeyer 2

Verkehrsknoten: Tokyo U-Bahn - Iidabashi Station

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, 1857-1870, 12.200 m, 700.000 m³, Sprengvortrieb

• St. Gotthard, Eisenbahn, 1872-1878, 14.990 m/1.100.000 m³, händisch, Sprengvortrieb

• Kanaltunnel, Eisenbahn, 1986-1993, 50.450 m/10.029.000 m³, Schild

• 4.Röhre Elbtunnel, Straße (A7), 1997-2002, 2.561 m/400.000 m³, Schild

• Gotthard Basistunnel, Eisenbahn, 1999-2011, 57.000 m/ 13.300.00 m³, TBM

A simple technology ...

Brunel's tunnelling shield under the Thames 1824-1842

Etching in magazine "Museum der Geschichte" from 1830

from Maidl et al.: Mechanised Shield Tunnelling, 1996

... labor-intensive and sometimes risky ...

4. Röhre Elbtunnel, Hydroschild OD = 14,20 m,

Lichter DI = 12,7 m, Tübbingdicke 0,70 m

Belttunnel (Sicherung und Ausbau

mit Stahlbetontübbingen)

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

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

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

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)

Probleme und Heruasforderungen…

– Einleitung

– Randbedingungen

– Bauverfahren

– Risiken

Brauchen wir noch neue Tunnelbauwerke?

Karlsruhe: Kombilösung für die Kaiserstraße

Heidelberg Projekt: Stadt an den Fluss

Lebensqualität

Beeinträchtigung in Bauphase

Mobilität

Wirtschaftlichkeit

Betrieb und Unterhaltung

Sicherheit

Betrieb und Nutzung

Spannungsfeld bei der Entscheidung für

Tunnelbauprojekte

Interessensausgleich und Akzeptanz der Beteiligten

und Betroffenen

– Einleitung

– Randbedingungen

– Bauverfahren

– Risiken

• 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

• 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

Versorgungsleitungen – Stadtwerke – Versorgungsträger (Telekom, ish,

Colt Telecom, global voice, Alcatel etc.)

Betroffenheiten

Einschränkungen der

Wohn- und Lebensqualität

Betroffenheiten

Zugängigkeiten während

der Bauzeit

Feuerwehrangriffs-

möglichkeiten

Rettungswege

Anlieferung

– Einleitung

– Randbedingungen

– Bauverfahren

– Risiken

• 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

Bauverfahren

- offene Bauweise -

Bauverfahren

- offene Bauweise -

Bauverfahren

- offene Bauweise -

Charakteristische Bauverfahren: „Geschlossene Bauweise“

Bergmännische Vortriebe: Spritzbetonbauweisen im Bagger-, (Spreng-)

oder Druckluftvortrieb

Prinzip: 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

Bauverfahren

- geschlossene Bauweise -

2.500%

-0.650

-0.600

-1.300 2.5%

0.000-+

+4.500

Tunnela

+6.850

-0.650

1,25 3,5 3,5 1,251,00 3,75 3,75 1,00

Bauverfahren

Bochumer Stadtbahnnetz

Bauverfahren

Stadtbahn Bochum, Baulos D2, Bahnhof Rathaus-Nord (1978-1982)

Vortrieb der ersten

Bahnhofsröhre

Innenschale der ersten

Bahnhofsröhre

Bauverfahren

Stadtbahn Bochum, Baulos D2, Bahnhof Rathaus-Nord (1978-1982)

Vortrieb der zweiten

Bahnhofsröhre

Räumen der Sohle in der zweiten

Bahnhofsröhre

Bauverfahren

Charakteristische Bauverfahren: „Geschlossene Bauweise“

Maschinelle Vortriebe: - Schildvortriebsverfahren mit Tübbingausbau

- Rohrvortriebe

Bauwerke: i. d. R. Tunnelbauwerke mit Kreisprofil

Bauverfahren

Tübbingtunnel

Bauverfahren

Tunnelvortriebsmaschinen

aus: DAUB Empfehlung für die Auswahl von Tunnelvortriebsmaschinen

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

Tunnelvortriebsmaschinen

Prinzip der Ortsbruststützung

Rohrvortrieb

Bohrverfahren vergleichbar Tübbingtunnel jedoch werden ganze Rohre in den

Startschacht eingebracht und der gesamte Rohrstrang vorgepresst

Bauverfahren

- hydraulischer Rohrvortrieb -

Bauverfahren

- hydraulischer Rohrvortrieb -

Absenktunnel: mittels Eigengewicht werden die Tunnel abgesenkt

Boden unter dem Tunnel wird händisch oder mit

Wasserspülung entfernt

Bauverfahren

- Sonderbauweisen -

Bauverfahren

- Sonderbauweisen -

Bauverfahren

- Sonderbauweisen -

Bauverfahren

- Sonderbauweisen -

Absenktunnel/Senkkasten

Vorteile:

Geringer Platzbedarf

Kein zusätzlicher Verbau

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

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

Bauverfahren

- Sonderbauweisen -

Bauverfahren

- Sonderbauweisen -

Bauverfahren

- Sonderbauweisen -

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

Bauverfahren

- Sonderbauweisen -

aus: Brochier-Spezialtiefbau Projektinformationen

Druckluftverluste beim Druckluftvortrieb

Material und Personen müssen durch eine Druckluftschleuse

Arbeitszeiten unter Druckluft eingeschränkt

Druckluftverluste beim Druckluftvortrieb

Rheinufertunnel Düsseldorf

Druckluftvortrieb

„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.

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

Vortriebsrichtung

Stützung der Ortsbrust durch Bentonit-Suspension und Druckluftpolster

Schneid

Nachläufer

Tübbinge Ringspalt

Schildmantel

Tübbinge

Umlaufende Dichtung

Kontinuierliche Mörtelverpressung des entstandenen Ringspaltes

Vorhandene Bebauung

Schildmantel

Entspannung der Ortsbrust und vorlaufende Verformungen

Verformungen der Ausbruchslaibung

Tiefenabhängige Ausbreitung der Senkungsmulden

Abschätzung der Verformungen: Analytische Verfahren

Verformungseinwirkungen auf tangierte Bauwerke

~12,0 mm

~9,5 mm

~12,3 mm

Abschätzung der Verformungen: Numerische Verfahren

Empirische Bewertung der Setzungsverträglichkeit

der bestehenden Bausubstanz

Baugrund

Sicherungsmaßnahmen

Baugrundertüchtigung

Oberflächenmaßnahmen

Verdichtung

Bodenaustausch

Injektionsverfahren

Einpressverfahren

Düsenstrahlverfahren

Gefrierverfahren

Sicherungsmaßnahmen

– Einleitung

– Randbedingungen

– Bauverfahren

– Risiken

• Tunnel sollen aufgefahren werden ...

... oberflächennah in schwierigsten Baugrund- und Grundwasserverhältnissen

... unterhalb von bestehender setzungs-empfindlicher 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

Neubau eines U-Bahntunnels in bergmännischer Bauweise

Planung liefert:

prognostizierte Auswirkungen

Havarie- und Störfallkonzepte ( Was mache ich wann?)

Risikomanagement - Wirtschaftlichkeit

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

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Prof. Dr.-Ing. Karsten Körkemeyer

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