DR - Darmstadt · DR. SPANG Projekt: 28.2288 Seite 6 11.01.2012 1. ALLGEMEINES 1.1 Projekt Die DB...

DR.SPANG

INGENIEURGESELLSCHAFT FÜR BAUWESEN, GEOLOGIE UND UMWEL TTECHNIK MBH

DB ProjektBau GmbH

Regionalbereich Mitte

Nahverkehrsvorhaben Süd (I.BV-MI-P (5))

Hahnstraße 52

60528 Frankfurt am Main

Projekt-Nr. 28.2288

Datei P2288B120111_Rev1

Diktat CSp/FelWe

Büro Witten

Datum 11.01.2012

S-BAHN RHEIN-MAIN I NORDMAINISCHE S-BAHN

Tunnelstrecke "Grüne Straße" - Station Ostbahnhof

Station Ostbahnhof

Tunnelstrecke Station Ostbahnhof - km 54,310

Geotechnisches und tunnelbautechnisches Gutachten

ANLAGE 12.8.1.0.1

Auftrag vom 18.12.2007

Gesellschaft: HRB 8527 Amtsgericht Bochum, USt-ldNr. DE126873490, Geschäftsführer Dipl.-Ing. Christian Spang

Zentrale Witten: Westfalenstraße 5 - 9, D-58455 Witten, Tel. (02302) 9 1402 - 0, Fax 91402 - 20, [email protected] http://www.dr-spang.de

Niederlassungen: 09599 FreibergiSachsen, Halsbrücker Str. 34, Tel. (03731) 798789-0, Fax 798789-20, [email protected] 73734 Esslingen/Neckar, Weilstr. 29, Tel. (0711) 351 30 49-0, Fax 351 30 49-19, [email protected] 06618 Naumburg, Jakobsring 4a, Tel. (03445) 762-153, Fax (03445) 762-162, [email protected] 90441 Nürnberg, Waidaustraße 13, Tel. (0911) 964 5665-0, Fax (0911) 964 5665-5, [email protected]

Banken: Stadtsparkasse Witten, BlZ 452 500 35, Kto. 4911, Deutsche Bank AG, Witten, BlZ 430 700 24, Kto. 8139511

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INHALT SEITE

1. ALLGEMEINES 6

1.1 Projekt 6

1.2 Auftrag 7

1.3 Unterlagen 7

2. GEOTECHNISCHE VERHÄLTNISSE 11

2.1 Morphologie und Vegetation 11

2.2 Allgemeine geologische Beschreibung 12

2.3 Baugrundaufbau 14

2.4 Allgemeine Tektonik 22

2.5 Erdbeben 22

3. BODENKENNWERTE UND EIGENSCHAFTEN 23

3.1 Klassifizierung für bautechnische Zwecke 23

3.2 Bodenmechanische Kennwerte 24

3.3 Felsmechanische Kennwerte 27

3.4 Quellverhalten 28

3.5 Technische Eigenschaften 28

3.6 Tunnelbautechnische Homogenbereiche 31

3.7 Wiederverwendbarkeit des Ausbruchmaterials 32

4. GRUNDWASSER 33

4.1 Allgemeines 33

4.2 Grundwasserstand 34

4.3 Pumpversuche 35

4.4 WO-Tests 38

4.5 Ourchlässigkeiten 41

4.6 Wasserhaltungsmaßnahmen im Frankfurter U- und S-Bahn Bau 43

4.7 Grundwasserchemismus 45

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5. VORTRIEBSVERFAHREN TUNNELSTRECKEN 46

5.1 Grundsätzliche Machbarkeit und Randbedingungen Tunnelvortrieb 46

5.2 Spritzbetonbauweise 48

5.2.1 Randbedingungen für die Spritzbetonbauweise 48

5.2.2 Beherrschung des Grundwassers 49

5.2.3 Ausbruch und Sicherung 53

5.2.4 Sicherungsmittel 54

5.2.5 Vortriebsklassen 59

5.3 Maschineller Tunnelvortrieb 62

5.3.1 Randbedingungen für den maschinellen Tunnelvortrieb 62

5.3.2 Auswahl des Maschinentyps 64

5.3.3 Tübbingausbau 66

5.4 Vorsorgemaßnahme Unterfahrung U-Bahn 66

5.5 Ein- und Ausfahrsicherung Station FrankfurtlMain - Ost / Danziger Platz 68

5.6 Tunnelstrecke Station FrankfurtlMain - Ost bis Tunnelende km 54,245 70

6. STATION FRANKFURTIMAIN - OST I DANZIGER PLATZ 71

6.1 Allgemeine Randbedingungen für den Bau der Station 71

6.2 Geologische Verhältnisse im Bereich der Station 72

6.3 Grundwasserverhältnisse im Bereich der Station 72

6.4 Bergmännische Bauweise 75

6.5 Offene Bauweise / Baugrube 75

7. BAUWERKS- UND BAUGRUNDINTERAKTIONEN 86

7.1 Einfluss des Tunnelvortriebes auf die Tagesoberfläche 86

7.2 Beurteilungskriterien für Oberflächensenkungen 90

7.3 Bebauung und Verkehrswege im Einflussbereich der Trasse 92

7.4 Dynamische Einflüsse 93

7.5 Beeinflussung des Grundwassers 94

7.6 Gründung der Station FrankfurtlMain - Ost / Danziger Platz 95

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8. EMPFEHLUNGEN

8.1 Trasse und Gradiente

8.2 Vortriebsverfahren

8.3 Station FrankfurtiMain - Ost / Danziger Platz

8.3.1 Baugrube

8.3.2 Gründung

8.3.3 Restwasserhaltung / Abdichtung

8.3.4 Sonstige Empfehlungen

8.4 Sicherung von Gebäuden, Leitungen und Kanälen

8.5 Sicherung von Verkehrswegen

8.6 Messprogramm

8.7 Beweissicherung

8.8 Nutzung geothermischer Energie

8.9 Kampfmittel

9. ZUSAMMENFASSU NG

10. ANLAGEN

Anlage 12.8.1.1: Übersichtslageplan, 1 : 25.000 (2)

Anlage 12.8.1.2: Amtliche Karten (1)

Anlage 12.8.1.2.1.1: Geologische Karte, 1 : 25.000 (1)

Anlage 12.8.1.2.1.2: Abgedeckte geologische Karte, 1 : 25.000 (1)

Anlage 12.8.1.2.2 Hydrogeologische Karte, 1 : 25.000 (1)

Anlage 12.8.1 .3: Lageplan (1)

Anlage 12.8.1 .3.1: Lageplan mit Erkundungspunkten, 1 : 2.000 (1)

Anlage 12.8.1.4: Geotechnische Schnitte (1)

Anlage 12.8.1.4.1: Längsschnitt mit Bohrungen, 1 : 500/100 (4)

Anlage 12.8.1.4.2: Querschnitte mit Bohrungen, 1 : 500/100 (2)

Anlage 12.8.1.4.3: Zeichenerklärung zu den geotechnischen Schnitten (1)

Anlage 12.8.1 .5: Bohrdokumentation (322)

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Anlage 12.8.1 .6: Laborversuche (1)

Anlage 12.8.1 .6.1 : Zusammenstellung der Laborversuche (2)

Anlage 12.8.1 .6.2: Konsistenzgrenzen (9)

Anlage 12.8.1.6.3: Durchlässigkeit (4)

Anlage 12.8.1.6.4: Kornverteilung (15)

Anlage 12.8.1.6.5: Kalkgehalt (2)

Anlage 12.8.1.6.6: Glühverlust (3)

Anlage 12.8.1.6.7: Wassergehalt (2)

Anlage 12.8.1 .6.8: Triaxialer Druckversuch (23)

Anlage 12.8.1.6.9: Rahmenscherversuch (14)

Anlage 12.8.1 .6.10: Einaxialer Druckversuch (10)

Anlage 12.8.1.6.11 : Quellversuch (3)

Anlage 12.8.1 .6.12: Cerchar-Abrasivitäts-Test (4)

Anlage 12.8.1.6.13: Abrasivitäts- und Brechbarkeitsindex nach LCPC (5)

Anlage 12.8.1 .7: Chemische Analyseergebnisse (1)

Anlage 12.8.1 .7.1: Grundwasseranalysen nach DIN 4030 (1)

Anlage 12.8.1 .7.2: Grundwasseranalysen nach DIN 50929 (1)

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Anlage 12.8.1 .7.3: Bewertung nach Geringfügigkeitsschwellenwerten (GWS-VwV) (1)

Anlage 12.8.1 .8: Hydraulische Berechnung (19)

Anlage 12.8.1.9: WD-Versuche (50)

Anlage 12.8.1.10: Pumpversuche (29)

Anlage 12.8.1 .11: Seitendruckversuche (135)

Anlage 12.8.1 .12: Verklebungspotential nach THEWES (5)

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1. ALLGEMEINES

1.1 Projekt

Die DB Netz AG, vertreten durch die DB ProjektBau GmbH, plant den Neubau der "Nordmain

ischen S-Bahn". Die Nordmainische S-Bahn soll an das Bestandsnetz der Frankfurter S-Bahn in

der Nähe der Station Konstablerwache anschließen und über den Bahnhof FrankfurtlMain - Ost

zum HBF Hanau führen. Dabei soll die Streckenführung auf der nördlichen Mainseite, im Wesentli

chen in Bündelung mit der bestehenden Schnellbahnstrecke Frankfurt - Fulda, erfolgen. Mit der

Nordmainischen S-Bahn soll somit das Frankfurter S-Bahn-Netz mit der bereits bestehenden, süd

lich des Mains geführten, S-Bahn-Strecke ergänzt werden.

Die Strecke soll im Anschluss an eine bestehende S-Bahn-Strecke in der Nähe der Station Kons

tablerwache, etwa im Bereich der "Grünen Straße" (ca. km 52,9) zunächst unterirdisch geführt

werden. In einem bogenförmigen Verlauf soll die unterirdische Strecke zum Bahnhof Frank

furtlMain - Ost in zwei Tunnelröhren geführt werden. In unmittelbarer Nähe zum bestehenden

oberirdischen Bahnhof FrankfurtlMain - Ost und zur U-Bahn-Station "Ostbahnhof', soll eine neue

unterirdische S-Bahn-Station errichtet werden. Östlich der geplanten Station FrankfurtlMain - Ost

soll die S-Bahn-Strecke wiederum in zwei Tunnelröhren mit langsam ansteigender Gradiente zur

Geländeoberfläche geführt werden. Bei ca. km 54,3 enden die derzeit vorgesehenen Tunnelröhren

und gehen in ein Trogbauwerk über. Ab dem Trogbauwerk soll die Strecke bis zum HBF Hanau

oberirdisch geführt werden.

Das vorliegende Gutachten behandelt die beiden Tunnelabschnitte westlich und östlich der geplan

ten Station FrankfurtlMain - Ost sowie die Station selbst. Im Zuge der fortgeschriebenen Planung

für das Stationsbauwerk ist eine Präzisierung der geotechnischen und hydrogeologischen Verhält

nisse im Bereich des Stationsbauwerks erforderlich geworden. Hierzu wurde eine 2. Erkundungs

phase (2. EKP) ausgeführt. Die Ergebnisse sind im vorliegenden Gutachten integriert.

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1.2 Auftrag

Die DB ProjektBau GmbH hat am 18.12.2007 der Or. Spang Ingenieurgesellschaft für Bauwesen,

Geologie und Umweltlechnik mbH, den Auftrag erteilt, ein geotechnisches und tunnelbautechni

sches Gutachten für die Tunnelabschnitle sowie für Station Ostbahnhof zu erstellen.

1.3 Unterlagen

Es wurden die nachfolgend aufgeführten, vom AG zur Verfügung gestellten Unterlagen verwendet:

[U 1] Deutsche Bahn AG, S-Bahn Rhein-Main, Nordmainische S-Bahn, Strecke Frankfurt/M

Ost - Hanau, Los 10, 95/220, Bericht 1, Baugrundgutachten; Prof. Dr.-Ing. P. Amann

Consult GmbH, Mühltal, April 1997.



Consult GmbH, Mühltal, April 1997.



Consult GmbH, MÜhltal, April 1997.

[U 4] Machbarkeitsuntersuchung S-Bahn Rhein-Main, Nordmainische S-Bahn; OB Projekt

Bau GmbH, Niederlassung Mitte, I.B - MI - TP FFM 2 G01, Frankfurt am Main. Oktober

2006.

[U 5] Draufsicht S-Bahn-Station Frankfurt (M) Ost; Trassierungsvariante 6 (TVM), Lageplan

Ebene D, Variante 3; Planungsgemeinschaft Nordmainische S-Bahn, Düsseldorf, 11/2009.

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Projekt: 28.2288 Seite 8 11.01.2012

[U 6] Gradiente und Gleislage Nordmainische S-Bahn, Strecke 3685; DB ProjektBau GmbH,

Berlin, 09/2008.

[U 7] NMS-Vorsorgemaßnahme; DB ProjektBau GmbH, Berlin, Email vom 02.04.2008.

Des Weiteren wurden folgende Unterlagen zur Erstellung des Gutachtens herangezogen:

[U 8] Geologische Karte von Hessen, Blatt Frankfurt a. M. Ost (5818), Karte1: 25.000 und

Erläuterungen; Hessisches Landesamt für Bodenforschung, Wiesbaden, 1993.

[U 9] Bohrprofile aus dem Bohrprofilarchiv; Hessisches Landesamt für Umwelt und Geologie

(HLUG), Wiesbaden, 2008.

[U 10] Ril 853, Eisenbahntunnel planen, bauen und instand halten; 3. Aktualisierung zum

01.01.2007, DB Netz AG, Frankfurt, 2007.

[U 11] Leitfaden zur Richtlinie 853 - Kommentare und Planungshilfen; 2. Aktualisierung zum

01.01.2007, DB Netz AG, Frankfurt, 2007.

[U 12] Verformungsverhalten des Baugrundes beim Baugrubenaushub und anschließen

dem Hochhausbau am Beispiel des Frankfurter Tons; Dr.-Ing. P. Amann, Prof. Dr.-Ing.

H. Breth, Dr.-Ing. D. Stroh; Mitteilungen der Versuchsanstalt für Bodenmechanik und

Grundbau der Technischen Hochschule Darmstadt, Heft Nr. 15, 1975.

[U 13] Ein Berechnungsmodell zum Tragverhalten der Kombinierten Pfahl-Plattengründung;

Dr.-Ing. Y. EI-Mossallamy; Mitteilungen des Institutes und der Versuchsanstalt für Geotech

nik der Technischen Hochschule Darmstadt, Heft Nr. 36, 1996.

[U 14] In-situ-Messungen und numerische Studien zum Tragverhalten der Kombinierten

Pfahl-Plattengründung; Dr.-Ing. O. Reul, Mitteilungen des Institutes und der Versuchsans

talt für Geotechnik der Technischen Hochschule Darmstadt, Heft Nr. 53, 2000.

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[U 15] Trag- und Verformungsverhalten tiefer Baugruben in bindigen Böden unter besonde

rer Berücksichtigung der Baugrund-Tragwerk- und der Baugrund-Grundwasser

Interaktion; Dr.-Ing. Chr. Moormann, Mitteilungen des Institutes und der Versuchsanstalt

für Geotechnik der Technischen Hochschule Darmstadt, Heft Nr. 59, 2002.

[U 16] Empfehlungen zur Auswahl und Bewertung von Tunnelvortriebsmaschinen;

Deutscher Ausschuss für unterirdisches Bauen (DAUB), Taschenbuch Tunnelbau, 2010.

[U 17] Gebäudeunterfahrungen in "geschlossener Bauweise" mit geringer Überdeckung;

Klawa, N., Taschenbuch für den Tunnelbau, Essen, 1985.

[U 18] Maschineller Tunnelbau im Schildvortrieb; Maidl, B. & Herrenknecht, M. & Anheuser, L.,

Berlin, 1995.

[U 19] Shape of settlement due to tunneling trough different types of 50ft ground; Celes

lione, T. B. & Toldedo Ruiz, A. P., Felsbau 16,2,118 -121, Essen, 1998.

[U 20] Deep excavation and tunnelling in 50ft ground; Peck, R. B, State of the Art Report.

Proc. 7th Int. Conf. Soil Mech. Found. Eng., Mexico, 255-284, 1969.

[U 21] Bergschadenkunde; Niemczyk, 0., Essen, 1949.

[U 22] Planung und Bemessung einer komplexen Grundwasser-Kommunikations-Anlage für

den City-Tunnel Leipzig; Spang, C. et al., Proc. Christian Veder Kolloquium, Graz, 2007.

[U 23] Innerstädtische Tunnelbauwerke als Strömungshindernis für das Grundwasser,

Grundwasserkommunikationsanlagen zur Beherrschung von Aufstau und Sunk am

Beispiel des City Tunnel Leipzig; Spang, C., Glitsch, W., Taschenbuch für den Tunnel

bau 2009, Essen, 2008.

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Projekt: 28.2288 Seite 10 11.01.2012

[U 24] Hydrogeologisches Gutachten, S-Bahn Rhein-Main, Nordmainische S-Bahn, Tunnel

strecke km 52,9 - km 54,3 + Station Ostbahnhof; Dr. Spang GmbH, Witten, 12.12.2008.

[U 25] Empfehlungen zur Berechnung von Tunneln im Lockergestein; AK 3.2 DGGT

(Deutsche Gesellschaft für Erd- und Grundbau e. V.), Essen 1980.

[U 26] Empfehlungen des Arbeitskreises "Tunnelbau" (ETB); Deutsche Gesellschaft für Geo

technik, Essen, 1995.

[U 27] Felsmechanik, Grundlagen für wirtschaftliches Bauen im Fels, Springer Verlag, Wittke,

W.1984.

[U 28] Abriss der Ingenieurgeologie; Prinz, H. & Strauß R., Spektrum Verlag, München, 2006.

[U 29] Hydrogeologische Methoden; Langguth, VOigt, Springer Verlag, 2004.

[U 30] Injektionen im Baugrund; Kutzner, Enke Verlag, 1991.

[U 31] Geotechnisches und tunnelbautechnisches Gutachten, S-Bahn Rhein-Main, Nord

mainische S-Bahn, Tunnelstrecke "Grüne Straße" - Station Ostbahnhof, Station Ost

bahnhof, Tunnelstrecke Station Ostbahnhof - km 54,310; Dr. Spang GmbH, Witten,

30.01.2009.

[U 32] Erläuterungsbericht - Numerische 3D-Grundwassermodellierung zur Aufstauberech

nung Station und Tunnelstrecke, S-Bahn Rhein-Main, Nordmainische S-Bahn; Dr.

Spang GmbH, Witten, 19.01.2010.

[U 33] Stellungnahme zum aktuellen Arbeitsstand im Hinblick auf den geplanten Einsatz der

TVM, Schildstrecke von km 52,9+1725 bis km 54,2+20,000, S-Bahn Rhein-Main,

Nordmainische S-Bahn, IMM Ingenieurbüro, Bochum, 02/2010.

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Projekt: 28.2288 Seite 11 11.01.2012

Außerdem werden die zum Zeitpunkt der Gutachtenerstellung eingeführten technischen Regelwer

ke und alle relevanten bahninternen Regelwerke verwendet, insbesondere die in Ril 836.0100 auf

geführten Regelwerke.

2. GEOTECHNISCHE VERHÄLTNISSE

2.1 Morphologie und Vegetation

Das Projektgebiet ist im Wesentlichen eben. Am Beginn der Tunnelstrecke im Bereich der Grünen

Straße liegen Geländehöhen um 101,5 m NHN vor, die bis zum Danziger Platz (Bahnhof Frank

furt/Main - Ost) auf etwa 98,0 m NHN abfallen. Die Geländehöhen im Bereich der Gleise der

Schnellbahnstrecke Frankfurt - Fulda liegen im Projektbereich auf etwa 103,0 m NHN bis

103,5 m NHN. Die nördlich der Gleise verlaufende Straße "Ostparkstraße" weist wiederum Gelän

dehöhen um 98,5 m NHN auf.

Im Bereich der Tunnelstrecke zwischen Grüne Straße und Station Frankfurt/Main - Ost werden

von West nach Ost die Grüne Straße, die Hanauer Landstraße, die Rückertstraße, die Windeck

straße, die Ostendstraße und wiederum die Hanauer Landstraße unterfahren. Die geplante Tun

nelstrecke ist neben den Straßen von innerstädtischer, weitgehend etwa 4 bis 6 geschossiger,

überwiegend einfach unterkellerter Bebauung überbaut. Z. T. sind in den Gebäuden Fahrstuhlun

terfahrten oder andere tiefer reichende Kellerteile vorhanden.

Zwischen der im Wesentlichen straßenbegleitend errichteten geschlossenen Bebauung sind Hin

terhöfe mit Grünflächen, Hofflächen und Garagen bzw. Schuppenanlagen vorhanden. Die Bebau

ung ist augenscheinlich älteren Datums und wahrscheinlich in den Nachkriegsjahren bis etwa En

de der 70er-Jahre entstanden. Bebauung aus dem letzten Jahrzehnt ist in diesem Bereich augen

scheinlich nicht vorhanden. Zwischen Hanauer Landstraße und Danziger Platz unterquert die Tun

nelstrecke zunächst den Bereich der ehemaligen Feuerwache, die inzwischen zurückgebaut ist

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Projekt: 28.2288 Seite 12 11.01.2012

und derzeit brachliegt. Auf dieser Fläche ist derzeit eine Investorenbebauung mit ca. 2 Unterge

schossen geplant.

Der Bereich der Station Frankfurt/Main - Ost liegt im Danziger Platz, der derzeit als Verkehrs- und

Parkfläche genutzt wird, und im östlich angrenzenden Dammbereich der bestehenden Gleisanla

gen. Im zentralen Bereich des Danziger Platzes stehen einige ältere Bäume auf. Ansonsten ist der

Platz im Wesentlichen mit Schwarzdecke und örtlich mit Betonsteinpflaster versiegelt. Im westli

chen Bereich des Danziger Platzes liegt die U-Bahn-Station "Ostbahnhof' (Linie U 6). Die Tunnel

strecke dieser U-Bahn-Linie kreuzt den Danziger Platz an seinem Westende von Nord nach Süd.

Die U-Bahn-Linie endet derzeit an dieser Station. Die Gbäudefläche des Ostbahnhofes und Teile

des Danziger Platzes sollen zukünftig für ein mehrstöckiges Wohn-/Geschäftshaus mit Tiefgarage

genutzt werden.

Im östlichen Anschluss an die Station Frankfurt/Main - Ost ist die weitere Tunnelstrecke bis zum

Tunnelportal unter Bahngelände südlich der Ostparkstraße geplant. Das Gelände ist gegenüber

dem umliegenden Gelände (Ostparkstraße) um etwa 3 - 5 m künstlich aufgehöht worden. Hier

werden in Dammlage u. a. die Gleise der Schnellbahnstrecke Frankfurt - Fulda geführt, die im

westlichen Anschluss an den Bahnhof Frankfurt/M. - Ost über den Main geführt werden.

Auf der Hanauer Landstraße werden zwei Gleise der Straßenbahn geführt. Der Tunnel unterfährt

diese Gleise kurz nach der Grünen Straße und im Bereich der ehemaligen Feuerwache. Ansons

ten stellt sich die Geländeoberfläche, wo sie nicht überbaut ist, als Brachfläche mit Oberflächenbe

festigung, niederem Buschwerk und einzelnen, überwiegend nicht mehr genutzten Gebäuden dar.

2.2 Allgemeine geologische Beschreibung

Nach den vorliegenden Unterlagen ([U 1] - [U 3] und [U 8] - [U 9]) sowie der aktuellen Erkundung

ist im Bereich der geplanten S-Bahn-Strecke im Wesentlichen mit den nachfolgend beschriebenen

und nach ihrem Entstehungsalter geordneten Schichten zu rechnen:

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Mit der Einsenkung des Mainzer Beckens im Tertiär wurde das Projektgebiet zum Sedimentations

raum. Paläogeographisch stellt das Mainzer Becken einen östlichen Sporn des Oberrheingrabens

dar. Bei dem Mainzer Becken handelte es sich um einen mit ca. 50 m Tiefe flachen Sedimentati-

onsraum.

Im Mainzer Becken kam es zu zwei langandauernden Meeresbildungen, dem Oligozänmeer und

dem Miozänmeer mit dazwischen liegenden Intervallen der Verlandung und der limnischen Sedi

mentation.

Die oligozäne Transgression sedimentierte im Mainzer Becken die Schichten Rupelton und Cyre

nenmergelgruppe (grau-grüne Mergel aus brackig werdendem Wasser) ab.

Nach vorübergehender Verlandung im Oberoligozän setzte mit dem Miozän wieder eine Senkung

und damit Transgression in das Mainzer Becken ein. Im Gegensatz zu den sandig-mergeligen Ab

lagerungen des Oligozänmeeres bildeten sich nun harte, kalkige Ablagerungen, die den heutigen

Plateaus und Hügeln mit ihrer typischen Kalkflora das Gepräge geben. Das Miozänmeer lagerte

die Cerithienschichten (Grenze Oligozän I Miozän), Inflatenschichten und die Hydrobien

schichten ab.

In den pleistozänen Kaltzeiten lagerten der Main und seine Nebenflüsse weiträumig mehrere

Schotterterrassen ab, in die sich der Main in den zwischenzeitlichen Warmzeiten immer wieder

eintiefte. Im Projektgebiet findet sich als oberste, natürlich gewachsene Schicht vielfach die Nie

derterrasse des Mains. Flugsand, Dünensand und Löß wurden als Anwehungen sedimentiert und

liegen aufgrund von Verwitterungsprozessen teilweise verlehmt vor.

Die holozänen Hochflutlehme und Auesedimente des Mains und der Nebenflüsse sowie die Ver

landung von Flussaltarmen und örtliche Moorbereiche bilden die erdgeschichtlich jüngsten Ablage

rungen.

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Das Projektgebiet ist vollständig anthropogen überprägt. Es finden sich durch die rege Bautätigkeit

im Stadtgebiet Frankfurt fast durchgängig künstliche Auffüllungen, z. T. aus natürlichen, umge

lagerten Böden, z. T. aus Schotter, Bauschutt u. Ä. an der Geländeoberfläche.

Grundlage für die nachfolgende Beschreibung des Untergrunds sind frühere Gutachten ([U 1] bis

[U 3]) und Archivunterlagen von Baugrundaufschlüssen des Hessischen Landesamts für Umwelt

und Geologie (HLUG) [U 9] sowie die aktuellen Aufschlüsse der 1. und 2. Erkundungsphase (EKP)

in Form von 24 Bohrungen.

Die Bohrprofile wurden in einen Längsschnitt (siehe Anlage 4) eingetragen. Es wird darauf hinge

wiesen, dass die Bohrungen in der Regel nicht unmittelbar im Schnitt liegen, sondern in diesen

projiziert wurden. Insofern verlaufen die für die Streckenachse eingezeichneten Schichtgrenzen

nicht zwingend durch die Schichtgrenzen der Bohrprofile.

2.3 Baugrundaufbau

Der Untergrund besteht nach den Ergebnissen der ersten und zweiten EKP bis in relevante Tiefe

aus einer Wechselfolge von rolligen und bindigen quartären und tertiären Sedimenten. Für eine

bessere Abgrenzung der Sedimente wurden die nachfolgend aufgeführten Schichten ausgewie

sen. Die Reihenfolge gibt gleichzeitig die zu erwartende Schichtenfolge von oben nach unten an.

Durch das nordwestlich geriChtete Einfallen der Schichten sind allerdings in östlicher Richtung des

Projektgebiets nicht mehr alle Schichten vorhanden. Die Schichten 1.2 (Aue-!Hochflutlehm) und 1.4

(Terrasse des Mains) wurden im Bereich der Tunnelachse nur vereinzelt, lokal begrenzt angetrof

fen. Die Terrassensedimente (Schicht 1.4) sind im Stadtgebiet bereichsweise ausgeräumt und

durch anthropogene Auffüllungen ersetzt.

Schicht 1.1 Auffüllungen

Schicht 1.2 Aue-! Hochflutlehm

Schicht 1.3 Flugsand (im Bereich der Tunnelachse nicht angetroffen)

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Schicht 1.4 Terrasse des Mains

Schicht 11.1 Pliozän (im Bereich der Tunnelachse nicht angetroffen)

Schicht 11.2 Vulkanite (im Bereich der Tunnelachse nicht angetroffen)

Schicht 11.3 Hydrobienschichten

Schicht 11.4 Inflatenschichten

Schicht 11.5 Cerithienschichten

Schicht 11.6 Cyrenenmergel

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Der allgemeine Schichtaufbau ist in Tabelle 2.2-1 zusammengestellt und wird nachfolgend be

schrieben.

Schicht Bezeichnung Schichtmächtigkeit Bodengruppe Nr.

[mI nach DIN 18196

1.1 Auffüllung 1 -12 A

1.2 Aue-/Hochflutlehm 0-5 UL, UM, UA, SU', HZ, au

1.4 Terrassen des Mains 0-7,9 SE, SW, SI, SU,GE, GW, GI,

GU

11.3 Hydrobienschichten 0-17 TA, TM, TL, Z

11.4 Inflatenschichten 0-18 Z,TA,TM,TL

11.5 Cerithienschichten > 30 Z, TA, TM, TL

11.6 Cyrenenmergel UK nicht erkundet TA, TM, TL, Z

Tabelle 2.2-1: Schematischer Baugrundaufbau

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Projekt: 28.2288 Seite 16 11.01.2012

Schicht 1.1 - Auffüllungen

In fast allen Bohrungen sind Auffüllungen als oberste Schicht unter der Geländeoberfläche anget

roffen worden. Die Auffüllungen umfassen i. d. R. überwiegend Bauschutt aus Schotter, Ziegelres

ten, Schlacken, etc. und z. T. rollige und gemischtkörnige Böden, die als Sande bzw. Kiese mit

wechselndem Anteil von Ton, Schluff und Steinen angesprochen wurden (Bodenaushub). Die

Mächtigkeit der Auffüllungen schwankt etwa zwischen 0,4 mund 12 m, wobei die höchsten Auf

füllmächtigkeiten im Bereich des Bahndamms (südlich Ostparkstraße) festgestellt wurden.

Quartär

Schicht 1.2 - Aue-I Hochflutablagerungen

Die Auffüllungen werden bereichsweise von Aue-/Hochflutlehm (Schicht 1.2b) unterlagert. Boden

mechanisch sind die Aue- und Hochflutlehme als wechselnd tonige, wechselnd schluffige, unter

geordnet auch kiesige Sande sowie tonige, sandige Schluffe anzusprechen. Die Hochflutlehme

sind Überschwemmungsablagerungen des Mains. In den Altläufen des Mains kam es im Frankfur

ter Stadtgebiet im Zuge der Verlandung zu Torfbildungen (Schicht 1.2a), die teilweise in Bohrungen

angetroffen wurden.

Im Wesentlichen kann im Frankfurter Stadtgebiet aber davon ausgegangen werden, dass TorfIin

sen im Zuge der anthropogenen Nutzung bereits weitgehend ausgekoffert und durch Auffüllungen

ersetzt wurden. Im Bereich der geplanten Bahnhofsstation konnten in geringem Maße torfige Ein

lagerungen identifiziert werden. Die Hochflutlehme weisen im Projektgebiet i. d. R. eine dunkel

braune bis graue, bereichsweise auch rotbraune Farbe auf. Die Konsistenz liegt im Bereich weich

bis halbfest. Im Projektgebiet ist nicht mit größeren Vorkommen von Aue-/ Hochflutlehmen zu

rechnen. Lokal wurden im Bereich zwischen Grüne Straße und Danziger Platz Mächtigkeiten von

bis zu etwa 3 m angetroffen, im weiteren Verlauf bis zum Tunnelende wurden Mächtigkeiten bis zu

etwa 5 mangetroffen.

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Projekt: 28.2288 Seite 17 11.01.2012

Schicht 1.4 - Terrassen des Mains

Die Aue- und Hochflutlehme werden fast im gesamten Projektgebiet von Sanden und Kiesen der

Mainterrassen unterlagert. Z. T. sind im Frankfurter Stadtgebiet die Terrassenablagerungen durch

künstliche Auffüllungen ersetzt worden, dies insbesondere lokal zwischen Grüne Straße und Dan

ziger Platz. Die Terrassenablagerungen des Mains bestehen im Wesentlichen aus einer Wechsel

lagerung von Sanden und Kiesen mit z. T. schluffigen Beimengungen oder Geröllen. Nach den

Baugrunderkundungen ist die Lagerungsdichte der Terrassenablagerungen locker bis mitteldicht.

Die Mächtigkeit der Terrassenablagerungen beträgt im Projektgebiet zwischen etwa 0,5 m und et

wa 7,9 m. Die Unterkante der Terrasenablagerungen ist im Bereich des Danziger Platzes zwischen

ca. 89,7 m NHN und 91,8 m NHN anzutreffen. In östliche Richtung (Ostparkstraße) sowie in nördli

che Richtung (Bornheim) nimmt die Mächtigkeit der Terrassenablagerungen ab und die UK der

Terrassenablagerungen steigt dementsprechend an, so dass im östlichen Bereich des Danziger

Platzes, in der Ostparkstraße und der Henschelstraße Höhen der UK Terrasse von 92,23 bis 94,4

m NHN festgestellt wurden.

Tertiär

Schicht 11.3 - Hydrobienschichten

Unter den Terrassen des Mains, bzw. wo diese fehlen, unter den Auffüllungen, stehen im westli

chen Projektgebiet (zwischen Grüne Straße und etwa zwischen Rückertstraße und Windeckstra

ße) die nach der Schneckengattung Hydrobia benannten Hydrobienschichten an. Die Hydrobien

schichten bestehen aus einer Wechselfolge von überwiegend dunkelgrauen bis grüngrauen schluf

figen Tonen bzw. Mergeltonen und schwarzen bis grauen und z. T. schluffigen Kalksanden. Da

zwischen sind plattige bis bankige z. T. dichte und sehr harte dolomitische Kalksteine eingelagert,

die zwischen den plastischen Schluffen und Tonen meist zerbrochen vorliegen.

Die Kalkbänke sind oft nicht horizontbeständig und keilen lateral nach kurzer Strecke aus, bzw.

gehen in unverfestigte Kalksande oder Kalksteine über. Die Schluffe und Tone sind oft bituminös

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Projekt: 28.2288 Seite 18 11.01.2012

und schwefelkieshaltig. Die Schichten fallen leicht nach Nordwesten ein. Die im Projektgebiet ma

ximal nachgewiesene Mächtigkeit der Hydrobienschichten liegt bei ca. 17 m.

Die Konsistenz der bindigen Sedimente wurde im Wesentlichen steif bis halbfest angetroffen. Da

die Schichten aber überkonsolidiert sind, ist in ungestörtem Zustand eher von einer mindestens

halbfesten Konsistenz auszugehen. Geringere Werte dürften durch Störungen beim Bohrvorgang

bedingt sein. Die Kalksande sind meist mitteldicht gelagert und bereichsweise schwach verkittet

bzw. gehen in Kalksandstein über. Die Komponenten dieser Kalksande bestehen aus kleinen

Kalkgeröllen, Schnecken- und Muschelschill, Ostracodenschalen und Kalkooiden.

Mit den in den Hydrobienschichten ausgeführten Sondierungen mit der Seitendrucksonde konnten

nur die im Vergleich zu den unterlagernden tertiären Schichten geringsten Steifemoduli ermittelt

werden. Im Ton bzw. im Kalkmergelstein wurden Steifemoduli für die Erstbelastung von ca. 2,0 bis

5,5 MN/m2 versuchstechnisch ermittelt.

Schicht 11.4 -Inflatenschichten

Die nach der Schneckenart Hydrobia inflata benannte Schichtenfolge besteht vorwiegend aus

kompakten Kalksteinen größerer Mächtigkeit mit zwischengelagerten, quarzsandhaltigen Kalksan

den und grüngrauen Mergel- und Tonschichten. Der ansonsten geschichtete Aufbau des Schicht

pakets wird bereichsweise durch Algenstotzen von mehreren Zentimetern bis Metern Mächtigkeit

durchbrochen. Die Kalke können örtlich verkarstet sein und Hohlräume aufweisen.

Die Inflatenschichten werden nur im westlichen Bereich des Projektgebiets von der Grünen Straße

bis etwa zur Windeckstraße angetroffen, wo das Schichtpaket auskeilt. Die Schichtung fällt

schwach nach Nordwesten ein. Im Projektgebiet wurde eine maximale Mächtigkeit der Inflaten

schichten von 18 m erbohrt.

Die Konsistenz der in der Schichtfolge eingelagerten bindigen Böden wurde im Wesentlichen

weich bis steif angetroffen. Da die Schichten aber überkonsolidiert sind, ist in ungestörtem Zustand

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Projekt: 28.2288 Seite 19 11.01.2012

von einer mindestens steifen Konsistenz auszugehen. Geringere Werte dürften durch Störungen

beim Bohrvorgang bedingt sein.

Die in den Kalksteinbänken ausgeführten Sondierungen mit der Seitendrucksonde (2 Stück) wei

sen vergleichsweise hohe Steifemoduli für die Erstbelastung von ca. 330 bis 690 MN/m2 auf.

Schicht 11.5 - Cerithienschichten

Die Inflatenschichten werden von den Cerithienschichten unterlagert. Die Cerithienschichten sind

nach einer Turmschnecke benannt, die in den Kalken maßgeblich ist. In weiten Teilen des Projekt

gebietes sind die Cerithienschichten die oberste, noch vorhandene tertiäre Schicht unter den quar

tären Terrassen des Mains.

In den Cerithienschichten überwiegen Karbonatgesteine, die von lockeren Karbonatsanden bis zu

festen Kalken reichen. Bankige, dichte und sehr feste, z. T. splittrige Kalke und detritische Kalke

aus Ooiden und SchalenbruchschilI, die teilweise auch unverfestigt als Sand vorliegen können,

werden von kavernösen, unregelmäßig geformten Algenriffen durchbrochen, sodass eine Korrela

tion einzelner Kalkbänke zueinander nicht möglich ist. Die Algenkalke sind meist porös und ähneln

Sinterkalken oder Kalktuffen. Die Kalke können örtlich verkarstet sein und Hohlräume aufweisen.

Größere Riffkörper weisen oft Hohlräume auf, die z. T. mit weichem, kreidigem Kalkschlamm ge

füllt sein können. Neben diesen reinen Karbonatgesteinen kommen untergeordnet Quarz

Kalksande vor, mit Quarz- und Kalkgeröllen bis zu Feinkiesgrößen. In diese sind oft Algenkalkknol

len eingelagert. Des Weiteren sind helle, z. T. kreidige Kalkschluffe sowie Mergel und Mergeltone

anzutreffen. Die schichtig bis bankig ausgebildeten Sedimente fallen leicht nach Nordwesten ein.

An der Basis der Cerithienschichten folgen glimmerhaltige Sande, die den Übergang zu den Cyre

nenmergeln bilden.

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Projekt: 28.2288 Seite 20 11.01.2012

Die Konsistenz der in der Schichtfolge der Cerithien eingelagerten bindigen Böden wurde überwie

gend halbfest angetroffen. Geringere Werte dürften durch Störungen beim Bohrvorgang bedingt

sein.

Die Cerithienschichten lassen sich nach der detaillierten Auswertung der 2. EKP im Bereich der

Station in zwei Untereinheiten gliedern. Die obere Einheit weist Festgesteine und zu Lockergestein

umgewandelte Festgesteine von grauer Färbung auf. Dieses Schichtpaket wird hier daher als

"graue Cerithien" (Schicht 1I.5a) bezeichnet. Es wurden überwiegend Kalksteine, Mergelsteine,

Kalkmergelsteine und untergeordnet Sandsteine, sowie z.T. schluffige Kalksande und Tone erkun

det. Dieses Schichtpaket ist vergleichsweise heterogen zusammengesetzt. Die Kalksteine dieses

SChichtpakets sind teilweise klüftig und können Hohlräume aufweisen. Durchgehende Strukturen,

wie z.B. Kalkbänke, konnten in diesem Schichtpaket nicht festgestellt werden.

Die untere Einheit der Cerithien weist im Wesentlichen eine grüne Färbung auf und wird hier daher

als "grüne Cerithien" (Schicht 1I.5b) bezeichnet. Dieses untere SChichtpaket besteht im Wesent

lichen aus festen bis halbfesten Tonen (umgewandelte Mergelsteine), Kalksanden und einer

durchgehend erkundeten Kalksandsteinbank. Dieses Schichtpaket ist deutlich homogener und

kompakter als das obere Schichtpaket der Cerithien. Die Oberkante der grünen Cerithien fällt von

Ost bis Südost nach West bis Nordwest ein. Am südöstlichen Ende des Stationsbauwerks wurde

die OK der grünen Cerithien bei ca. 69,6 m NHN erkundet. Am Nordwestlichen Ende der Station

liegt die OK nur noch bei ca. 62,4 m NHN. Die Schichtoberkante fällt quer zum Stationsbauwerk

von der südlichen Stationsseite bis zur nördlichen Stationsseite um ca. 2,6 m - 4,0 m ein. Die

Oberfläche der grünen Cerithien (Schicht 11.5b) ist in Anlage 4 dargestellt. Innerhalb der grünen

Cerithien wurde eine durchgehende Kalksandsteinbank angetroffen. Die Kalksandsteinbank weist

in den Bohrungen eine Mächtigkeit von ca. 0,55 m bis 8,3 m auf. Die OK der Kalksteinbank wurde

zwischen 54,67 und 62,11 m NHN festgestellt.

In den Cerithienschichten wurden im Rahmen der 1. EKP insgesamt 21 Sondierungen mit der Sei

tendrucksonde ausgeführt. Nach der im Zuge der 2. EKP erfOlgten Untergliederung der Cerithien in

graue und grüne Cerithien wurden 18 Sondierungen mit der Seitendrucksonde in den grauen Ceri

thien (Schicht 11.5a) und 3 in den grünen Cerithien (Schicht 11.5b) ausgeführt. Dem heterogenen

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Projekt: 28.2288 Seite 21 11.01.2012

Aufbau der grauen Cerithienschichten folgend wurde eine Streubreite des Steifemoduls von ca. 3,8

bis ca. 1.370 MN/m2 (Mittelwert 172,23 MN/m2) für die Erstbelastung festgestellt. Die niedrigsten

Werte sind dabei offensichtlich porösen oder kavernösen Kalksteinen und Kalkmergelsteinen zu

zuordnen, während die harten Riffbänke mit den höchsten festgestellten Steifemoduli ebenfalls in

den Kalkstein- und Kalkmergelsteinbänken festgestellt wurden. In den grünen Cerithien wurden

nur die Ton- und Kalksandschichten betestet, nicht jedoch die Kalksandsteinbank; es wurden Stei

femoduli für die Erstbelastung von im Wesentlichen 15 bis 96 MN/m2 (Mittelwert 43,0 MN/m2) fest

gestellt. Die für Ton- und Sandschichten vergleichsweise hohen Steifemoduli sind auf die Über

konsolidierung dieser Schichten zurückzuführen.

Die an Kernstücken und somit den festeren Bereich der Cerithienschichten im felsmechanischen

Labor ausgeführten einaxialen Druckversuche ergaben Druckfestigkeiten von 1,5 bis ca. 90

MN/m2, im Mittel 27,0 MN/m2

• An Kernstücken der grünen Cerithien wurden keine einaxialen

Druckversuche durchgeführt. Insbesondere in den überwiegenden tonigen Abschnitten der grünen

Cerithien ist mit vergleichsweise geringen Druckfestigkeiten zu rechnen.

An Proben aus den Cerithienschichten wurden CAI-Test und LCPC-Tests zur Feststellung der Ab

rasivität ausgeführt (Anlage 6). Demnach sind die Cerithienschichten als nicht bis schwach abra

siv, im Mittel kaum abrasiv einzustufen. Abrasivitätsuntersuchungen wurden nur an den grauen

Cerithien ausgeführt, da die grünen Cerithien erst unter der Tunnelsohle anstehen und somit nicht

von den Vortriebsarbeiten berührt werden.

Schicht 11.6 - Cyrenenmergel

Unter den Cerithienschichten wird im Projektgebiet der Cyrenenmergel angetroffen. Zuoberst la

gern stark schluffige, glimmerführende Kalksande. Hauptsächlich werden die Cyrenenmergel je

doch aus vorwiegend grauen, grünlichgrauen und graublauen, feinsandigen, mehr oder weniger

plastischen, mitunter kalkhaltigen Tonen (Letten) gebildet, die mit dem allerdings nicht häufigen

Leitfossil Cyrene semistriata (einer gleichklappigen Muschel) identifiziert werden.

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Projekt: 28.2288 Seite 22 11.01.2012

Kalkreichere Schichten sind selten, doch sind harte Steinmergel vorhanden. Im unteren Teil der

Schichten treten mächtige, hellgraue, glimmerreiche Quarzsande (Schleichsande ) und Sandsteine

auf, die meist wasserführend sind. Dünne, unbauwürdige Braunkohlenlager treten in den oberen

Schichten ebenfalls auf. Im Projektgebiet wurde diese Schicht aufgrund der Tiefenlage nicht er

bohrt und wird daher für den Tunnel bautechnisch nicht weiter relevant sein.

2.4 Allgemeine Tektonik

Infolge der intensiven Bruchtektonik innerhalb des Oberrheingrabens und insbesondere innerhalb

des Mainzer Beckens ist auch das Projektgebiet tektonisch stark zerlegt. Aus [U 8] sowie [U 1] bis

[U 3] lässt sich im Projektgebiet insbesondere eine Störungszone ableiten. Die Störzone verläuft

etwa in Nord-Süd-Richtung und kreuzt die Strecke östlich des Tunnelendes. In [U 1] wurde eine

weitere etwa in Nord-Süd-Richtung verlaufende Störung im Bereich zwischen Grüner Straße und

Rückertstraße vermutet, die durch die verdichten Bohrungen nicht bestätig werden konnte. Die

Störung ist zwar weiterhin nicht vollständig auszuschließen, kann aber nur einen geringen Ver

satzbetrag von wenigen Metern aufweisen.

2.5 Erdbeben

Das Mainzer Becken gehört zu den tektonisch aktiven Gebieten in Deutschland. Erdbeben sind

durch die Schollenverschiebungen regelmäßig zu beobachten. Es handelt sich allerdings um rela

tiv häufige Beben mit vergleichsweise geringen Magnituden.

Nach DIN 4149 (2005-04) liegt das Projektgebiet in der Erdbebenzone O. Es ist daher von einem

Intensitätsintervall 6,0 " I < 6,5 auszugehen. Das Projektgebiet ist in die geologische Untergrund

klasse S (Gebiete tiefer Beckenstrukturen mit mächtiger Sedimentfüllung) einzugruppieren.

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Projekt: 28.2288 Seite 23 11.01.2012

3. BODENKENNWERTE UND EIGENSCHAFTEN

3.1 Klassifizierung für bautechnische Zwecke

Nach den Erkundungsergebnissen, Feld- und Laboruntersuchungen sowie den Archivunterlagen

lassen sich die im Projektgebiet zu erwartenden Böden wie folgt geotechnisch klassifizieren.

Schicht Bodenart Klassifizierung nach Frostempfind- Verdicht-

Nr.

1.1

1.2b

1.4

11.3

11.4

11.5

11.6

1 )

2)

3)

DlN 18196 DIN 18 300 lichkeit 1)

Auffüllungen A 3-5,

1 tlw. 6 - 7

Aue-/Hochflutiehm UL, UM, UA, 3 - 4 (2) 3) F3 SU*, HZ, DU

SE, SW, SI, Terrassen des Mains SU, GE, GW, 3-5 F1-F2

GI,GU

Hydrobienschichten TA, TM, TL, Z 3 - 5 (2) 3)

F1-F3 und 6-7

6 - 7 und Inflatenschichten Z, TA, TM, TL

3 - 5 (2) 3) F1-F3

6 - 7 und Cerithienschichten Z, TA, TM, TL

3 - 5 (2) 3) F1-F3

Cyrenemergel TA, TM, TL, Z 3 - 5 (2) 3)

F1-F3 und 6 - 7

Nach ZTVE StB 09, Tab. 1 (F1 nicht frostempfindlich, F3 sehr frostempfindlich).

Nach 97106, Tab. 2 (V1 = verdichtbar, V3 = schwer verdichtbar).

barkeit 2)

1

V3

V1-V2

V3

V3

V3

V3

Der angegebene Boden kann bei Wassersättigung infolge Störung der Lagerung in Boden

klasse 2 nach DIN 18300 übergehen.

Tabelle 3.1-1: Bodenklassifizierung

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Projekt: 28.2288 Seite 24 11.01.2012

3.2 Bodenmechanische Kennwerte

Auf der Basis von durchgeführten geotechnischen Laborversuchen, der Auswertung der Feldver

suche, der Archivunterlagen und von umfangreichen Erfahrungen mit den im Projektgebiet anste

henden Böden lassen sich die in Tabelle 3.2-1 zusammengestellten charakteristischen Boden

kennwerte angeben. Die Rechenwerte gelten für das Baugrundmodell gemäß DIN 4020. Lokale

Abweichungen sind möglich. Bei den angegebenen Kennwerten handelt es sich um charakteristi

sche Werte nach dem Teilsicherheitskonzept gemäß DIN 1054 (01/2005).

Schicht Bezeichnung Wichte Wichte Rei- Kohä- Undrai- Steife-Nr. feuchter unter bungs- sion nierte modul

Boden Auftrieb winkel calc" Kohäsion cal Es,.i)

cal Yk calYk calcp" cal Cu,k [kN/m'] [kN/m3

] [0] [kN/m2] [kN/m2

] [MN/rn>]

1.1 Auffüllungen 18 -20 8 - 10 25 - 30 0 0 -

1.2b Aue-I Hochflut- 19 - 20 10- 11 20 - 30 10 - 20 75 - 100 5 - 10 lehm

1.4 Terrassen des 18 - 20 9 - 10 30 - 32,5 0 0 40 - 80 Mains

Hydrobien-schichten

11.3 1) Tone u. Schluffe 17 - 20 8 - 11 20-25 15 - 25 60 - 100 5 - 10

2) Sande 18 - 20 9 - 10 30- 32,5 0 0 20 - 80

Inflaten-schichten

11.4 1 ) Tone u. Schluffe 17 - 21 8 - 11 17,5-25 5 - 25 50 - 100 5 - 10

2) Sande 17 - 19 8 - 10 30-32,5 0 0 20 - 80

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Projekt: 28.2288 Seite 25 11.01.2012

Schicht Bezeichnung Wichte Wichte Rei- Kohä- Undrai- Steife-Nr. feuchter unter bungs- sion nierte modul

Boden Auftrieb winkel cal Ck' Kohäsion cal Es •k1)

cal Yk cal Yk' cal <j)k' cal Cu.k [kN/m3

] [kN/m3] [0] [kN/m"] [kN/m2] [MN/rn"]

Cerithien-schichten

11.5 1) Tone u. Schluffe 17 - 21 8 - 11 17,5 - 25 5 - 25 50 - 100 5 -10

2) Sande 17 - 19 8 -10 30 -32,5 0 0 20 - 80

11.6 Cyrenemergel 19 - 21 9 - 11 20 20 100 10 - 20

1) Ermittlung des Steifemoduls Es für den Laststeigerungsbereich 0 bis 300 kNfm2

Tabelle 3.2-1: Charakteristische Bodenkennwerte.

Für höherwertige Stoffgesetze ist die weitergehende Kenntnis des Materialverhaltens erforderlich.

Hierzu wurden triaxiale Druckversuche (Triaxiale Scherversuche und isotrope, triaxiale Druckver

suche ) im bodenmechanischen Labor ausgeführt und ausgewertet und durch häufig verwendete

Kennwerte aus der Literatur ([U 12]- [U 15]) für den Frankfurter Ton und die Frankfurter Kalke er

gänzt. Unter den "Frankfurter Tonen" werden im Folgenden summarisch die schluffig - tonigen

Partien der Hydrobien-, Inflaten- und Cerithienschichten sowie der Cyrenemergel verstanden. Mit

den "Frankfurter Kalken" werden die Kalkbänke der Hydrobien-, Inflaten- und Cerithienschichten

zusammengefasst. Die Materialeigenschaften der Tone der einzelnen Schichten unterscheiden

sich im grundsätzlichen Verhalten so wenig, dass eine Differenzierung nicht erforderlich ist.

Während es für die Frankfurter Kalke in der Regel ausreicht, ein linear elastisches Stoffgesetz ggf.

mit einer einfachen Bruchbedingung (z.B. Mohr-Coulomb) zu verwenden, sollte für die realitätsna

he Abbildung der Frankfurter Tone ein elasto-plastisches Stoffgesetz verwendet werden. Gebräuli

che Parametersätze für die Frankfurter Tone sind in den nachfolgenden Tabellen 3.2-2 bis 3.2-4

zusammengestellt.

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Projekt: 28.2288 Seite 26 11.01 .2012

Materialeigenschaft Frankfurter Tone Frankfurter Kalke

0,15 - 0,5 drainierte Querdehnungszahl v' [-]

02 2 ) 0,25 - 0,5

,

undrainierte Querdehnzahl Vu [-] 0,5 0,5

7,0 + 2,45 • z bis 2 -1 .500 Steifemodul Erstbelastung [MN/m']

83+ 1 35' z 1) 250 2) , ,

20 - 3.000 Steifemodul Entlastung [MN/m'] 120

750 2)

10-1 .500 Steifemodul Wiederbelastung [MN/m'] 70

300 2)

1 - 360 Einaxiale Druckfestigkeit qu [MN/m'] /

100 2)

1 ) z In m unter GOF

2) mittlerer Rechenwert

Tabelle 3.2-2: Bodenkennwerte Frankfurter Tone / Frankfurter Kalke

Materialeigenschaft Frankfurter Tone

0,7 - 0,9 Parameter R, [-]

09') ,

Parameter n [-] 0,5 - 0,7

0,6 ' )

110 - 240 Parameter K [-]

225 ' )

1) mittlerer Rechenwert

Tabelle 3.2-3: Materialkennwerte für Frankfurter Ton für das Materialgesetz nach Duncan -

Chang ([U 12])

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Projekt: 28.2288 Seite 27 11 .01.2012

Materialeigenschaft Frankfurter Tone Frankfurter Kalke

Ruhedruckbeiwert Ko H 0,6 0,5

Konuswinkel ß [' ] 37 - 38 29 - 30

Konusachsabschnitt d [kN/m"] 40-45 1.000 - 3.000

Formfaktor Konus K [-] 0,795 0,841

Formfaktor Kappe R [-] 0,1 0,01

Übergangsfaktor Konus Kappe CI. [-] 0 0

Tabelle 3.2-4: Materialkennwerte für Frankfurter Ton für das Materialgesetz nach Drucker -

Prager ([U 14])

3.3 Felsmechanische Kennwerte

Nach Auswertung der felsmechanischen Labor- und Feldversuche und unseren Erfahrungen mit

den im Baufeld anstehenden Gesteinen lassen sich für das Festgestein folgende Rechenwerte an

geben.

Schicht- Feisart Wichte Reibungs- Kohä- Einax. Steife-

Nr. feuchtes Winkel Sion Druckfestig- modul

Gebirge keit Gestein Gebirge

Y. CPk Ck O'c,k Es,.

[kN/m3] ['] [kN/m2

] [MN/m'] [MN/m2]

11.3 Hydrobienschichten 22 - 26 30 - 35 1) >0 0,5 - 50 2 -100

c) Kalkbänke

11.4 Inflatenschichten 22 -25 30 - 35 1) >0 1 -100 10 - 750

c) Kalkbänke

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Projekt: 28.2288 Seite 28 11.01.2012

Schicht- Feisart Wichte Reibungs- Kohä- Einax. Steife-

Nr. feuchtes Winkel Sion Druckfestig- rnodul

Gebirge keit Gestein Gebirge

Yk 'Pk' Ck' O'c.k E •. k

[kN/rn3] [0] [kN/rn2] [MN/rn'] [MN/rn']

11.5 Cerithienschichten 22 -25 30 - 35 1) >0 1 -100 5-5.000

c) Kalkbänke

1) auf Trennflächen

Tabelle 3.3-1: Felsrnechanische Kennwerte; die Werte gelten für angewittertes bis frisches

Gebirge, sofern nicht anders angegeben.

3.4 Quellverhalten

Das Quellverhalten der im Baubereich anstehenden tonigen Schichten wurde durch 3 Quellversu

che ermittelt um mögliche Quellhebungen als Folge der Baumaßnahme zu beurteilen. Eine Quell

hebung entsteht durch das Aufquellen von Tonen oder durch Kristallisationsdruck und resultiert

aus der Veränderung des Wasserangebotes im Untergrund oder ggf. durch eine Änderung der Be

lastung. Der so entstehende Druck kann die Stabilität der Tunnelwände beeinflussen. Nach den

Versuchsergebnissen sind jedoch keine signifikanten Quellhebungen in den anstehenden Forma

tionen nachweisbar (siehe Anlage 6.11).

3.5 Technische Eigenschaften

Zur Bestimmung der Abrasivität und der Brechbarkeit der im Stationsbereich und im Bereich des

Tunnelvortriebs anstehenden Schichten wurde an 10 Proben der Cerchar-Abrasivitäts-Index (CAI)

sowie an 11 Proben der Abrasivitäts-Index nach LCPC (ABR) und der Brechbarkeits-Index nach

LCPC (BR) im felsmechanischen Labor bestimmt (siehe Anlage 6.12 und Anlage 6.13). Diese Er

gebnisse wurden durch Archivunterlagen ergänzt. Maßgebend für die Abrasivität sind, außer dem

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Projekt: 28.2288 Seite 29 11.01.2012

Gehalt an schieißscharfen Mineralien, insbesondere die Kornform und die Festigkeit des Gesteins

bzw. die Kornbindung. Die mittelbare Kornbindung ist bei Lockergesteinen definitionsgemäß Null.

Trotzdem tritt auch bei Lockergesteinen abrasives Verhalten auf. Ursache ist die zwischen abrasi

vem Bohrgut und Werkzeugen auftretende Reibung. Qualitativ werden rollige Lockergesteine, die

weitestgehend aus Quarz bestehen, als abrasiv eingestuft. Im vorliegenden Fall werden die Kalk

sande und die Kalksteine als mäßig abrasiv eingestuft und weisen eine schwache bis mittlere

Brechbarkeit auf, die anstehenden Tone und Schluffe sind nicht bis kaum abrasiv und weisen

eine starke Brechbarkeit auf.

Stark adhäsive Böden führen zum Verkleben des Schneid rads und der Eintrittsöffnungen nach in

nen bei Maschinenvortrieben und Bohrungen. Die Adhäsion hängt im Wesentlichen von der Plas

tizität der Böden sowie von der Konsistenz ab. Plastische Tone werden im Projektgebiet in erhebli

cher Ausbreitung angetroffen. Zur qualitativen Beurteilung des Verklebungspotentials wird das

Bewertungsdiagramm nach THEWES herangezogen (siehe Anlage 12). Die Auswertung der im

Baufeld angetroffenen Gesteinsformationen zeigt nach THEWES, dass insbesondere die Hydro

bienschichten (Schicht 11.3) ein hohes Verklebungspotentiel aufweisen. Die Inflatenschichten

(Schicht 11.4) und die Cerithienschichten (Schicht 11.5) weisen dagegen ein niedriges bis mittleres

Verklebungspotential auf. Die Verklebungsgefahr beim Schildvortrieb wird deshalb als gegeben

eingestuft.

Zur Beurteilung der Injizierbarkeit ist in erster Linie die Inhomogenität bzw. die engständig wech

selnde Abfolge der Bodenschichten (rollig / bindig / Festgestein) als maßgebender Faktor zur Be

urteilung heranzuziehen. Die rolligen Kalksande sind als grundsätzlich injizierbar einzustufen, da

gegen sind die Tone und Schluffe der Hydrobienschichten, Inflatenschichten und Cerithienschich

ten nicht oder nur mit Feinstzementen oder chemischen Injektionsmitteln injizierbar. In den Kalk

steinen kann grundsätzlich nur eine Kluftinjektion erfolgen. Durch die beschriebene Abfolge der

Bodenschichten ist davon auszugehen, dass keine vollständig dichten und zusammenhängenden

Injektionskörper im Tiefenbereich des Tunnelvortriebs hergestellt werden können. Eine Verfesti

gung oder Abdichtung insbesondere der rolligen Zwischenlagen ist grundsätzlich möglich. Da die

se nur als Zwischenlagen auftreten, ist dies aber mit erheblichem Aufwand verbunden. Die Main

terrassen bzw. quartären Deckschichten im oberflächennahen Bereich sind im Hinblick auf eine

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Projekt: 28.2288 Seite 30 11.01.2012

ggf. erforderliche passive Gebäudesicherung als injizierbar einzustufen. In diesem Zusammenhang

wird auf das Soilfrac-Verfahren, das bei verschiedenen innerstädtischen Tunnelbaumaßnahmen

(Köln, Leipzig, Amsterdam, etc.) bei ähnlichen Verhältnissen in der Vergangenheit erfolgreich ein

gesetzt wurde, verwiesen.

Bindige Böden sind bei einem entsprechenden Grobschluff- und Feinsandanteil gut zu erodieren.

Dagegen sind die Tone und tonigen Schluffe der Hydrobienschichten, Inflatenschichten und Ceri

thienschichten nur schwer erodierbar.

Im Hinblick auf den Tunnelvortrieb ist die Standfestigkeit der Böden ein wichtiger Indikator für die

Wahl des Vortriebsverfahrens. Bindige Böden sind im entwässerten Zustand zumindest zeitweise

standfest; dagegen sind rollige Böden ohne Stützung der Ortsbrust auch im entwässerten Zustand

nicht standfest. Es ist davon auszugehen, dass die im Bereich der Kalkbänke vorkommenden

Kalksande nicht standfest sind. Die Kalkbänke und auch die Tone und Schluffe der Hydrobien

schichten, Inflatenschichten und Cerithienschichten werden, zumindest im entwässerten Zustand,

als zeitweise standfest erwartet.

Aus den obigen Baugrundkennwerten sowie aufgrund unserer Erfahrung lassen sich für die Be

messung des Tunnels folgende weitere Kennwerte angeben.

Bettung: Im Lockergestein ist der Bettungsansatz nach den Empfehlungen zur Berechnung von

Tunneln im Lockergestein [U 25] zu wählen. Bei Berechnung des Systems als Stabzug mit radialer

Bettung kann der Bettungsmodul zu

kr=Es.k/r

mit:

ES•k - charakteristischer Bettungsmodul gemäß Tabelle 3.2-1

r - Radius der Tunnelschale

angesetzt werden.

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Projekt: 28.2288 Seite 31 11.01 .2012

3.6 Tunnelbautechnische Homogenbereiche

Aus den vorliegenden Unterlagen und den geologischen und hydrologischen Kenntnissen lassen

sich für die Vortriebsstrecke insgesamt 3 tunnelbautechnische Homogenbereiche festlegen.

Station Länge Homogenbereich

[km] [m]

H1 ca. 52,900 - 53,717 850

Station ca. 53,717 - 53,930 215

H2 ca. 53,930 - 54,050 300

H3 ca. 54,050 - 54,245 195

Tabelle 3.6-1 : Tunnelbautechnische Homogenbereiche

Der Homogenbereich 1 beginnt am Anschluss Grüne Straße und erstreckt sich bis zur Station

Frankfurt-Ost. Der Tunnel durchfährt dabei von West nach Ost die Inflatenschichten (Schicht 11.3)

und die Hydrobienschichten (Schicht 11.4) und liegt dann vollständig in den Cerithienschichten

(Schicht 11 .5). Gemäß der geotechnischen Beschreibung in den vorangegangenen Kapiteln sind

diese Schichtwechsel bautechnisch nicht relevant. Es handelt sich somit fortlaufend um eine

Wechsellagerung aus Kalksteinbänken, Kalksanden und den Frankfurter Tonen, die bereichsweise

auch im gesamten Querschnitt bzw. in großen Teilen des Querschnitts zusammenhängend (nicht

als Wechsellagerung) anstehen können (vgl. Anlage 4, km 53,220, BK 08/03). Die Überlagerung

beträgt in diesem Homogenebereich im Mittel ca. 8 - 10m bzw. ca. 9 - 17 m (Röhre 1 / 2, vgl. An

lage 4) und entspricht somit ca . 1 0 bzw. ca . 1,5 D.

Der Homogenbereich 2 schließt sich unmittelbar an die Station Frankfurt-Ost an und ist geotech

nisch mit Homogenbereich 1 vergleichbar. Der Vortrieb liegt auch hier vollständig in den Cerith ien

schichten (Schicht 11.5), die Überdeckung nimmt allerdings in diesem Bereich entsprechend dem

Verlauf der Gradiente im auftauchenden Ast von ca . 13 m auf ca. 12 m ab, bezogen auf die Lage

unterhalb des Bahndamms. Zur unmittelbar nördlich des Bahndamms verlaufenden Ostparkstraße

hat der Tunnel allerdings nur eine Überlagerung von ca . 8 - 9 m.

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Der sich unmittelbar an den Homogenbereich 2 anschließende Homogenbereich 3 ist geotech

nisch durch die Mainterrassen (Schicht 1.4) und Auffüllungen (Schicht 1.1) gekennzeichnet. Gemäß

den Angaben des Planers soll der Vortrieb aus bautechnischen Gründen bis zu einer minimalen

Überdeckung von ca. 3,30 m bei km 54,245 fortgeführt werden. Im Bereich von einem Tunnel

durchmesser unter der GOK ist ein bergmännischer Vortrieb nur mit besonderen technischen Zu

satzmaßnahmen und z.B. erhöhten Verformungen an der GOK ausführbar ist.

3.7 Wiederverwendbarkeit des Ausbruchmaterials

Soweit die Böden im Vortrieb nicht mit Konditionierem vermengt werden oder Kontaminationen

vorliegen, sind rollige Böden uneingeschränkt wiederverwendbar. Je nach ihrer Kornverteilung

können sie für Erdbauwerke, zum Bodenaustausch oder für andere Zwecke genutzt werden.

Das bindige Lockergestein ist schlecht verdichtbar und erfordert eine Bodenstabilisierung mit

Kalk oder Zement, sofern ein Wiedereinbau vorgesehen ist. Die erforderlichen Zugabemengen

sind im Zuge der Baumaßnahme durch Probefelder zu bestimmen. Die Auflockerung beim Aushub

wird auf etwa 25 % geschätzt.

Sofern die Böden mit Konditionierern behandelt werden, hängt ihre Wiederverwertbarkeit von Art

und Menge der Zugabe ab. Bei Bentonitzugabe müssen die Böden entwässert werden um sie de

poniefähig zu machen.

Entsprechend der anstehenden, engständig wechselnden Abfolge der Bodenschichten (rollig / bin

dig / Festgestein) entsteht ein vermengtes Ausbruchmaterial, dass voraussichtlich nur mit Zusatz

maßnahmen wiederverwertbar ist.

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4. GRUNDWASSER

4.1 Allgemeines

Im Bereich des Tunnels ist ein oberer und ein unterer Grundwasserleiter zu unterscheiden. Der

obere Grundwasserleiter ist in den Auffüllungen (Schicht 1) bzw. insbesondere in den Terras

sensedimenten (Schicht 3) ausgebildet. Der untere Grundwasserleiter ist als Kluft- oder Karst

grundwasserleiter insbesondere in den Kalkbänken der Hydrobien-, Inflaten- und Cerithienschich

ten und den rolligen Zwischenlagen (Kalksanden) ausgebildet.

Zwischen den einzelnen Grundwasserleitern, sowohl des Quartärs als auch des Tertiärs, sind bin

dige, wasserstauende Schichten (Schicht 1.2 Auelehm im Quartär, bzw. Ton- und Schlufflagen der

Cerithien im Tertiär) eingelagert, die jedoch nicht flächig vorhanden sind, sodass die beiden

Grundwasserleiter jeweils als zusammenhängende Grundwasserleiter zu betrachten sind. Weit

räumig stehen auch die Grundwasserleiter des Quartärs und des Tertiärs untereinander hydrau

lisch in Verbindung. Lokal ist am Danziger Platz aber eine hydraulische Trennung des quartä

ren Grundwasserleiters und des tertiären Grundwasserleiters in den Cerithien festzustellen.

So konnte beim Langzeitpumpversuch (48 h) in der GWM BK 09/03 (tertiäre Grundwassermess

stelle) am Ostende des Danziger Platzes eine Beeinflussung der anderen tertiären Grundwasser

messsteIlen noch in 100 m Entfernung deutlich festgestellt werden, während die nächste in ca.

45 m Entfernung liegende quartäre Grundwassermessstelle (BK 09/05) keine Beeinflussung zeig

te. Großräumig ist aber von einer Verbindung der Grundwasserstockwerke auszugehen. Während

der 2. EKP ist die Grundwasserhaltung für die Baugrube der Europäischen Zentralbank (EZB, Ge

lände der ehemaligen Großmarkthalle ) angelaufen. Die Grundwasserhaltung führt zu Absenkun

gen in den tertiären und quartären Grundwassermessstellen mit fast identischen Absenkbeträgen.

Für die Absenkung an der EZB sind erhebliche Reichweiten von über 1 km festzustellen.

Unter bindigen Schichten, die über größere Flächen durchhalten, kann das Grundwasser aufgrund

der schwach nach Nordwesten geneigten Schichten ggf. subartesisch gespannt sein. In den quar

tären Sedimenten und auch in den Auffüllungen können einzelne schwebende Grundwasserhori

zonte vorkommen.

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Der natürliche Vorfluter für das Untersuchungsgebiet ist der etwa 500 m bis 700 m südlich der ge

planten Strecke verlaufende Main. Da der Main staugeregelt ist, sind die Spiegelschwankungen

des Mains begrenzt. Der Einfluss von Spiegelschwankungen des Mains auf den Grundwasser

stand ist zeitlich versetzt und gedämpft, sodass insgesamt von einem eher untergeordneten Ein

fluss auszugehen ist.

4.2 Grundwasserstand

Zur Beurteilung und Bewertung der gemessenen und dokumentierten Grundwasserstände in Be

zug auf Extremzustände ist die klimatische Entwicklung im Frankfurter Raum in [U 24] dargelegt.

Die Ganglinien der Grundwasserstände im Untersuchungsgebiet folgen den klimatischen Entwick

lungen allerdings nicht sondern sind in hohem Masse anthropogen überprägt. Das Maximum der

Grundwasserstände trat in den seit 1976 beobachteten Pegeln im Laufe des Jahres 1978 auf, weI

ches nicht unbedingt als besonders niederschlagsreiches Jahr einzustufen ist. In den achtziger

und neunziger Jahren ist eindeutig der Einfluss verschiedener Wasserhaltungsmaßnahmen, die

über die Zeit zurn Bau von U-Bahn Tunneln betrieben wurden, zu sehen (vgl. Kap. 4.4). Durch die

Absenkung übersteigen die Schwankungsbreiten der gemessenen Grundwasserstände die unter

natürlichen Bedingungen zu erwartenden bei Weitem.

Die Festlegung der Bemessungswasserstände ist in [U 24] ausführlich dokumentiert. Entlang der

Streckenachse des Tunnels wurde der Bemessungswasserstand über insgesamt 5 StützsteIlen

festgelegt (Tabelle 4.2-1). An diesen Punkten wurden die Bemessungswasserstände aus den vor

liegenden Messergebnissen rechnerisch ermittelt. Zwischen den angegebenen Punkten können

die maßgeblichen Bemessungswasserstände durch lineare Interpolation gewonnen werden. Die

Bemessungswasserstände sind im Zuge der weiteren Planung anhand der laufenden Grundwas

serstandsmessungen zu überprüfen und ggf. anzupassen. Der vorläufige Bemessungswasser

spiegel für den Endzustand ist in die Längsschnitte (Anlage 4) eingetragen.

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Stationierung Bemessungswasserstand

Bauzustand Endzustand

[km] [m NHN] [m NHN]

52,900 94,80 95,80

53,154 94,40 95,40

53,717 94,50 95,50

53,930 94,50 95,50

54,455 94,70 95,70

Tabelle 4.2-1: Zusammenstellung der Bemessungswasserstände

Die Schwankungsbreite der Wasserstände wurde im Beobachtungszeitraum Juni 2009 bis April

2011 mit 0,38 - 2,47 m bestimmt. Es ist auch unter Berücksichtigung von [U 1] bis [U 3] von einer

natürlichen Schwankungsbreite von bis zu 2,0 m auszugehen. Die aktuellen Schwankungsbreiten

sind aber z.T. , wie o.g. anthropogen überprägt (Grundwasserhaltung EZB, etc.). Durch Grundwas

serentnahmen kann die Schwankungsbreite noch deutlich größere Werte einnehmen.

4.3 Pumpversuche

Im Bereich des Stationsbauwerks und der Tunnelstrecken wurden in der 1. EKP in 3 Grundwas

sermessstellen Langzeitpumpversuche und in 2 Grundwassermessstellen Kurzzeitpumpversuche

durchgeführt. Der Kurzpumpversuch wurde mit einer Pumpdauer von 3 Stunden ausgeführt. Der

Wiederanstieg wurde über 12 Stunden beobachtet. Bei dem Langzeitpumpversuch wurde über ca .

24 Stunden gepumpt. Die Beobachtung des Wiederanstiegs mit wiederum ca. 24 Stunden reichte

zum Erreichen des Ausgangswasserspiegels aus. In der 2. EKP wurden in insgesamt 4 Grund

wassermessstellen auf dem Danziger Platz Langzeitpumpversuche mit einer Pumpdauer von 48

Stunden und einer Beobachtungsdauer des Wiederanstiegs von ebenfalls 48 Stunden ausgeführt.

Die Beobachtung des Wiederanstiegs mit 48 Stunden reichte zum Erreichen des Ausgangswas

serspiegels aus.

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Bei allen Pumpversuchen wurden benachbarte Grundwassermessstellen mit beobachtet. Da die

zusätzlichen Beobachtungsmessstellen meist einen größeren Abstand von der Entnahmestelle

aufweisen, bewegen sich die Absenkungen in der ersten Erkundungsphase in der Regel nur im

cm-Bereich. Durch das verdichtete Messstellennetz in der 2. EKP konnten in umliegenden Brun

nen unterschiedliche Absenkbeträge beobachtet werden, so dass aus den Messungen Rück

schlüsse auf die Reichweite und insbesondere auch über die vertikalen Wegsamkeiten zwischen

den geologischen Formationen und damit unterschiedlichen Aquiferen gewonnen werden konnten.

Die Auswertung der Absenkungs- bzw. Pumpphase erfolgte nach dem Gradlinienverfahren von

COOPERIJACOB. Die verbleibende Absenkung wird gegen den Logarithmus der Zeit aufgetragen.

Anhand der Geradensteigung lässt sich der Koeffizient der Transmissivität bestimmen. Im Falle ei

nes mehrstufigen Pumpversuchs muss die Absenkung als Summe der Einzel-Absenkungen der

einzelnen Pumpstufen unter Berücksichtigung ihrer jeweiligen Anfangszeit in die Berechnung ein

geführt werden. Die Umkehrung der Gleichung lässt sich ohne Weiteres vollziehen, nur müssen

statt einer logarithmischen Dekade für die Zeit die aktuellen Zeiten seit Beginn der einzelnen

Pumpstufen eingesetzt werden.

Die Auswertung der Wiederanstiegsphase erfolgte für die einstufigen Pumpversuche nach dem

Gradlinienverfahren nach THEIS/JACOB. Für die mehrstufigen Pumpversuche wird eine Abwand

lung bzw. Erweiterung des Verfahrens nach BIRSOY/SUMMERS verwendet. Hierbei wird die ver

bleibende Absenkung im Gegensatz zum üblichen Verhältnis tlt' gegen den Logarithmus einer di

mensionslosen Zeit, der Dauer und Förderung der einzelnen Pumpstufen berücksichtigt. Alle hier

verwendeten Verfahren sind zum Beispiel in [U 29] beschrieben.

Die Auswertungen der Pumpphasen und der Wiederanstiegsphasen ergaben in den Grundwas

sermessstellen überwiegend nur gering gegeneinander abweichende Werte. Nicht überall fOlgte

die Absenkkurve während der Pumpphase der theoretisch zu erwartenden Ganglinie, wie sie sich

nach der Theorie von THEIS mit einer asymptotischen Annäherung an den Quasibeharrungszu

stand einstellen sollte. In einigen Messstellen wurde die Absenkung sehr schnell erreicht, ohne ei

ne nennenswerte bzw. erkennbare Krümmung der Ganglinie, um dann auf annähernd gleichem

Niveau zu verharren oder sogar wieder leicht anzusteigen. Die Pumpphase dieser Messstellen

wurde abweichend von dem oben beschriebenen Auswerteverfahren anhand der stationären Glei-

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Projekt: 28.2288 Seite 37 11.01.2012

chung nach DUPUITITHIEM ausgewertet, unter Iteration der Reichweite nach SICHARDT. Auf

grund der Annahme des stationären Zustands konnten hier die einzelnen Pumpstufen unabhängig

voneinander behandelt werden.

Die Protokolle der Pumpversuche der 1. und 2. Erkundungsphase mit der Auflistung aller Messda

ten die Darstellung der Ganglinien, sowie die Auswertungen mit den zugehörigen Grafiken sind in

den Anlagen 6 zusammengestellt.

In der Tabelle 4.3-1 sind die Ergebnisse der aller ausgeführten Pumpversuche und Beobachtun

gen der Wiederanstiege zusammengestellt.

Grundwasser- Versuchsart k,.Wertaus k,.Wertaus Bodenschicht

rnessstelle Absenkung Wiederanstieg

[rnJs] [rn/s]

BKlGWM 08/07 Langzeitpump- 1,3xlO-5 1,1 x 10-5 IA versuch (24 h)

BKlGWM 08/07 Langzeitpump- 6,7 x 10-5 1,1 X 10-5 IA versuch (48 h)

BKlGWM 09/05 Kurzzeitpump- 1,3 x 10-4 1,4 X 10-5 1.4 versuch (3 h)

BKlGWM 08/05 Langzeitpump- 6,5 x 10-5 3,7x10-5 11.5a versuch (24 h)

BKlGWM 08/12 Langzeitpump- 3,6 x 10-5 5,8 X 10-6 11.5a versuch (24 h)

BKlGWM 08/15 Kurzzeitpump- 4,7 x 10-5 3,8 X 10-5 11.5a versuch (3 h)




Tabelle 4.3-1: Ermittelte Durchlässigkeiten in den GWM

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Projekt: 28.2288 Seite 38 11.01 .2012

Nach Tabelle 4.3-1 liegen sieben Pumpversuche in den grauen Cerithienschichten (Schicht 11.5a)

vor. Die anderen beiden Pumpversuche wurden in den quartären Sanden und Kiesen (Schicht 1.4)

ausgeführt. Zur Ermittlung des resultierenden und für hydraulische Berechnungen zu verwenden

den krWerts wurden die Mittelwerte der Auswertungen in der jeweiligen geologischen Formation

gebildet, wobei die MiUelwertbildung sowohl für die Auswertung aus der Absenkungsphase als

auch aus der Wiederanstiegsphase erfolgte.

Geologische Formation krWert [m/s1 Anzahl der

min. max. mittel Auswertungen

Quartär, Schicht 1.4 1,1 x 10.5 1,3x10" 4,2 x 10.5 2

graue Cerithienschichten, Schicht 11.5a 1,1 x 10-6 7,3 X 10.5 2,5 X 10.5 7

Tabelle 4.3-2 mittlere krWerte

4.4 WO-Tests

Der Wasserdruckversuch wird mit der Abkürzung "WD-Test" bezeichnet. Der WD-Test wird in offe

nen Bohrlöchern durchgeführt. Durch Packer wird das Bohrloch in Abschnitte geteilt, in welche Was

ser eingepreßt wird. Häufig wird dabei mit einem Packer das Bohrloch nach oben hin abgesperrt und

nach unter bis zur aktuellen Bohrlochsohle gepreßt. Zum Teil wurde auch mit zwei Packern (i.d.R. in

einem Abstand von 3 m) gearbeitet, und die Strecke zwischen den Packern mit Wasserdruck beauf

schlagt. Der Druck und die eingepreßte Wassermenge werden gemessen. Der Wasserverlust von 1

Liter je Minute und je Meter Bohrlochstrecke bei einem Druck von 1,0 MN/m2 wird als 1 Lugeon (1

LU) bezeichnet. Aus dem WD-Test ergibt sich das Schluck- oder Wasseraufnahmevermögen des

Gebirges an der betreffenden Stelle.

Die Auswertungen der WO-Tests sind in der Anlage 9 dokumentiert. Der Versuch liefert zunächst

eine qualitative Aussage über das Wasser-Injizierverhalten des Gebirges, aus dem wertvolle Rück

schlüsse auf Wasserwegsamkeiten und Durchlässigkeiten gezogen werden können . Für die Ablei

tung von Durchlässigkeitsbeiwerten existieren verschiedene Ansätze, die nach der einschlägigen

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Fachliteratur in der Regel durchaus erheblich streuen können. Die Schwankungsbreite verschiede

ner Auswertmethoden ist in der Anlage 8 dokumentiert. Als Anhaltswert wird ein Mittelwert aus den

verschiedenen Auswertmethoden als Durchlässigkeit errechnet. Diese Werte liegen z. T. deutlich

über den Ergebniswerten der Pumpversuche (durchlässiger). Dies ist u.a. aber auch systembedingt,

da durch den hohen Druck beim WO-Test Klüfte aufgesprengt oder Kluftfüllungen ausgewaschen

werden können und so neue Wasserwegsamkeiten geschaffen werden, die in der begrenzten Ver

suchsdauer eines Pumpversuchs nicht geschaffen werden. Insoweit ist insbesondere die qualitative

Auswertung der WO-Test, aus der solche Effekte abgelesen werden können, für die Langzeitbeurtei

lung der Wasserwegsamkeiten im Gebirge von hoher Bedeutung. In der Tabelle 4.4-1 sind die aus

geführten WO-Test zusammengestellt und die qualitative Bewertung des Versuchs angegeben. Die

Versuche sind bereits nach der Baugrundschicht, in der sie ausgeführt wurden, geordnet. Die quali

tative Bewertung ergibt sich aus der Auftragung der Druck- und Mengenmessung. Die Grundformen

solcher Diagramme sind nach [U 30]:

• laminares Fließen,

• turbulentes Fließen,

• elastische Gebirgsverformung,

• Erosion von Kluftfüllungen oder Aufreißen des Gebirges und

• Verfüllung von Klüften oder Rückfließen mangels Vorflut.

Bei laminaren und turbulenten Fließen finden während des Versuchs keine Veränderungen im Ge

birge statt. Laminares Fließen ist mit sehr engen Klüften und turbulentes Fließen mit wenig engen bis

weiten Klüften verbunden. Elastische Gebirgsverformungen treten auf, wenn der Wasserdruck so

groß wird, dass Verformungen im Gebirgsgefüge auftreten, sich z.B. Klüfte unter dem Wasserdruck

aufweiten, die sich bei Absinken des Wasserdrucks aber auch wieder verengen. Elastische Gebirgs

verformungen sind häufig ein Zeichen für geringer feste Gebirgseigenschaften. Bei der Erosion von

Kluftfüllungen oder gar dem Aufreißen des Gebirges werden zusätzliche Wasserwegsamkeiten ge

schaffen. Insbesondere die Erosion von Kluftfüllungen würde bei einer langandauernden Grundwas

serabsenkung ebenfalls auftreten und dann ggf. zu einem Ansteigen der Wassermengen führen. Die

Verfüllung von Klüften und das Rückfließen mangels Vorflut sind i.d.R. ein Zeichen für ein besonders

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dichtes Gebirge mit einzelnen Klüften oder Hohlräumen, die nicht untereinander in Verbindung ste

hen.

Bohrung Tiefe Schicht / Gestein Typ [Nr.] von [mI bis [mI

BK 09/01 22,7 26,5 II.5a / S,u-u'lT,s' Erosion von Kluftfüllungen oder Aufrei-ßen des Gebirges

BK 09/01 28,4 31,0 II .5a / MstlKst Erosion von Kluftfüllungen oder Aufrei-

ßen des Gebirges

BK 09/03 22,5 25,0 II .5a I Kst umläufig

BK 09/05 21 ,0 34,0 II .5a I KstlS,u/MstlG ,s,u' laminares oder turbulentes Fließen

BK 09/05 31,5 34,0 II.5a I MstlKstlG,s,u' laminares Fließen

II.5a I BK 09/06 24,8 28,0 U,t,fg'/U,s*,g'/U,t,s'/U,s* laminares Fließen

,t'lMst

BK 09/06 31 ,5 37,8 II .5a I Erosion von Kluftfüllungen oder Aufrei-MstlKstlU ,fs,g'lT,s'lT ßen des Gebirges

BK 09/07 25,0 39,0 II.5a I KstlMstIT Erosion von Kluftfüllungen oder Aufrei-

ßen des Gebirges

BK 09/08 20,3 22,0 II .5a I S,u-u*/MstlKst Erosion von Kluftfüllungen oder Aufrei-ßen des Gebirges

BK 09/08 34,5 45,8 II .5a bis II .5b I Erosion von Kluftfüllungen oder Aufrei-

MstIT,s'lTlT,fs*/KstlSst ßen des Gebirges

BK 09/01 42,5 54,0 IJ.5b I fS,u Elastische Gebirgsverformung

BK 09/03 43,6 50,0 II .5b / fS ,u*/U, fS ,t'1T Verfüllung von Klüften oder Rückfließen mangels Vorflut

BK 09/04 40,0 50,0 II .5b I T,s'-s/KstlSstIT,s' Verfüllung von Klüften oder Rückfließen mangels Vorflut

BK 09/07 43,8 50,5 II .5b I S,u-u* Elastische Gebirgsverformung

Tabelle 4.4-1 : Zusammenstellung der WO-Tests und qualitative Auswertung

In der Tabelle 4.4-2 sind in den WO-Tests ermittelten mittleren Ourchlässigkeiten zusammenges

tellt. Sie können, wie oben beschrieben, nur als Anhaltswerte verwendet werden. Sie unterstrei

chen aber das qualitativ gewonnene Bild deutlich , dass es sich bei den grauen Cerithien (Schicht

II .5a) um ein inhomogenes, vergleichsweise durchlässiges Schichtpaket handelt, während die grü-

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nen Cerithien (Schicht 11.5b) als weitgehend gering durchlässig anzusehen sind. Als Mittelwert er

gibt sich für die Schicht 11.5a eine Durchlässigkeit von k, = 1,4 X 10.5 mls und für die Schicht 11.5b

von k, = 6,3 x 10.7 m/s.

Bohrung Tiefe Schicht Mittelwert k, [Nr.] von [mI bis [mI [m/s]

BK 09/01 22,7 26,5 11.5a 1,4x10·5

BK 09/01 28,4 31 ,0 11.5a 8,1 X 10.6

BK 09/03 22,5 25,0 11.5a um läufig

BK 09/05 21,0 34,0 11.5a 4,6 x 10.5

BK 09/05 31 ,5 34,0 1I.5a 8,9 x 10-6

BK 09/06 24,8 28,0 11.5a 2,7 x 10.5

BK 09/06 31 ,5 37,8 11.5a 3,2 x 10.6

BK 09/07 25,0 39,0 11.5a 3,9 x 10.6

BK 09/08 20,3 22,0 11.5a 2,2 x 10-6

BK 09/08 34,5 45,8 11.5a bis 11.5b 6,8 x 10.7

BK 09/01 42,5 54,0 11.5b 9,6 x 10.7

BK 09/03 43,6 50,0 11.5b 1,2 x 10.7

BK 09/04 40,0 50,0 11.5b 4,7 x 10·7

BK 09/07 43,8 50,5 11.5b 9,7 x 10.7

Tabelle 4.4-2: Zusammenstellung der Durchlässigkeiten aus den WD-Tests

4.5 Durchlässigkeiten

Die Durchlässigkeiten können als Bandbreiten nach den aktuellen Untersuchungsergebnissen und

nach [U 1] bis [U 3], [U 9] und [U 24] gemäß Tabelle 4.5-1 angesetzt werden . Es ist insbesondere

in den Wechselfolgen mit Tonen und Mergeln von einer ausgeprägten Anisotropie der Durchläs

sigkeiten auszugehen, d. h. sie sind parallel der Schichtung durchlässiger als senkrecht dazu . Für

die Cerithienschichten (Schicht 11.5) kann angenommen werden , dass die senkrechte Durchlässig

keit um etwa den Faktor 10 undurchlässiger ist als die horizontale Durchlässigkeit. Die grauen Ce-

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rithien (Schicht 11.5a) weisen dabei eine deutlich höhere Durchlässigkeit auf als die grünen Ceri

thien (Schicht 11.5b). Die Durchlässigkeit der grauen Cerithien wird dabei maßgeblich von den z.T.

verkarsteten Kalkbänken und den Kalksanden geprägt. Die grünen Cerithien stellen sich hingegen

deutlich homogener dar. In den durchgeführten Wasserabpressversuchen (WO-Tests) konnte in

den grünen Cerithien kein signifikanter Unterschied zwischen den Tonen und der Kalkbank fest

gestellt werden. Die Kalkbank der grünen Cerithien kann damit als weitgehend kompakt und gering

durchlässig angesehen werden.

Schicht Bezeichnung Durchlässigkeit k, Nr. [rn/s1

1.1 Auffüllungen -

1.2 Aue-! Hochflutlehm 1 x 10.7 bis 5 x 10.4

IA Terrassen des Mains 1 x 10.5 bis 1 x 10.3

graue Cerithienschichten

a) Tone u. Schluffe 1 x 10.8 bis 5 x 10.5

11.5a 1 x 10-6 bis 5 x 10.5 b) Kalksande

c) Kalkbänke 1 x 10.6 bis> 1 x 10.5

11.5b grüne Cerithien 1 x 10.7 bis 1 x 10.6

1 X 10.8 bis 1 x 10.6

11.6 Cyrenenmergel in Kalkbänken auch höher

Tabelle 4.5-1: Durchlässigkeiten (Schicht 11.5: horizontale Durchlässigkeit)

Die generelle Grundwasserfließrichtung verläuft nach [U 8] von Nordwest nach Südost auf den

Main zu. Das Gefälle variiert zwischen 0,4 % und 1,3 %. Im Mittel beträgt es 0,5 %. Mit den aus

den Pumpversuchen ermittelten Durchlässigkeiten für die Terrassen des Mains und zwischen kf "

1,1 X 10.5 m!s und 6,5 x 10.5 m!s ergeben sich Filtergeschwindigkeiten zwischen Vf " 4,4 x

10.8 m!s und 8,5 x 10.7 m!s. Bei einer geschätzten Porosität von 20 % errechnen sich die Grund

wasserabstandsgeschwindigkeiten von Va " 2,2 X 10.7 m!s bis 4,3 x 10.6 m!s.

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)

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Projekt: 28.2288 Seite 43 11 .01 .2012

4.6 Wasserhaltungsmaßnahmen im Frankfurter U- und S-Bahn Bau

Aus Archivunterlagen (u.a. Erläuterungen zu [U 8]) sind Angaben zu bereits im Frankfurter Stadt

gebiet ausgeführten Grundwasserhaltungsmaßnahmen für unter dem Grundwasser liegende Stre

ckenabschnitte bekannt. Es handelt sich bei den vorliegenden Unterlagen um verschiedene S

Bahn Baulose und die U-Bahn Baulose der Grundstrecken A, Bund C. Die relevanten Strecken

sind in Anlage 2 mit den entsprechenden Baulos-Nr. eingetragen.

Länge UKTunnel Grundwasserhaltung

Baulos-Nr. Zeitraum Dauer Wassermenge (m] (m NN]

[-] (Mt] 1m3]

S-Bahn , 12 *) 224 74,6-79,5 04.81-06.83 27 5.051.675

S-Bahn, 13 *) 261 78,1-77,7 03.82-08.86 54 13.474.037

S-Bahn, 14 *) 366 79,7-76,4 04.83-02.86 35 5.840.105

U-Bahn, C, 31 a *) 133 88-90 04.81-07.82 15 14.363

U-Bahn, C, 31 b *) 276 87-89 10.81-10.83 24 358.750

U-Bahn, C, 31 c *) 181 88-89 08.82-09.83 13 9.990

U-Bahn, C, 50 - 52 932 89-100 09.87-08.89 24 2.521.639

U-Bahn, C, 53 - 55 753 98-101 Keine Wasserhaltung

U-Bahn, C, 56 364 95-99 05.85-01 .86 9 3.669

U-Bahn, C, 90 411 81-87 09.89-09.92 36 5.219.000

Nordmainische 1.400 je 73-93 - - -

S-Bahn Röhre

*) teilweise parallel betneben, Beeinflussung der Wassermengen I Absenktnchter

**) 0 -Menge errechnet

0**)

(m 3/m1d]

27,8

31 ,9

15,2

>0

1,8

>0

3,8

>0

11 ,8

20-30

Tabelle 4.6-1 Grundwasserabsenkung beim U- I S-Bahn-Bau in Frankfurt, Archivangaben [U 8]

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Projekt 28.2288 Seite 44 11.01.2012

Aus den Unterlagen sind allerdings nur Angaben zu Gesamtwassermengen und Gesamtbauzeiten

zu gewinnen, so dass man die daraus ermittelbaren Zuflussmengen I Wasserhebemengen nur als

Anhaltswerte werten kann. Angaben zu Querschnittsangaben und zur Konfiguration der Grund

wasserhaltung liegen ebenso wie Angaben zur Dauer des Betriebs einzelner Brunnen I Brunnen

abschnitte und zu den Filterstrecken nicht vor. Darüber hinaus ist aus Tabelle 4.6-1 ersichtlich,

dass einzelne Maßnahmen parallel ausgeführt wurden und somit von einer gegenseitigen Beeinf

lussung der Grundwasserabsenkung auszugehen ist.

In unmittelbarer räumlicher Nähe zur geplanten Tunnelstrecke der Nordmainischen S-Bahn liegen

die S-Bahn-Lose 12, 13 und 14 sowie das U-Bahn Los 90, wobei die genannten Lose z.T. auch in

vergleichbarer Tiefenlage zum Tunnel der Nordmainischen S-Bahn liegen. Das U-Bahn Los C 90

ist das Baulos, das mit der Tunnelstrecke der Nordmainischen S-Bahn unterfahren werden soll.

Die S-Bahn Lose 12,13 und 14 wurden z.T. zeitlich parallel zu den U-Bahn Losen 31 aufgefahren,

sodass von einer gegenseitigen Beeinflussung auszugehen ist. Aufgrund der größeren Tiefenlage

sind aber die S-Bahn-Lose als maßgebend anzusehen, die offenbar das Grundwasser auch aus

den höher gelegenen U-Bahnlosen abgezogen haben. Für die Wasserhaltung der Tunnelstrecke

der Nordmainischen S-Bahn kann somit aufgrund der Erfahrungen an anderen Losen nach derzei

tigem Stand von einer durchschnittlichen Wassermenge von ca. 20-30 m3 pro Meter Tunnel

strecke pro Tag ausgegangen werden.

Aus den Erläuterungen zu [U 8] ist bekannt, dass die Grundwasserhaltung im U-Bahn Los C 90 ei

ne erhebliche Reichweite bzw. Ausdehnung des Absenktrichters bewirkt hat. Es wird von ei

ner Ausdehnung von ca. 300 m nach Westen, ca. 1.600 m nach Osten und im Süden bis zum Main

berichtet. Folge der Absenkung war eine zeitweise Absenkung des Wasserspiegels im Weiher des

Ostparks. Auch die beobachteten Absenkungen durch die Wasserhaltung der EZB weisen auf ähn

liche Reichweiten hin. Unter Berücksichtigung der erheblich größeren Tunnellänge und der größe

ren Tiefenlage des Tunnels der Nordmainischen S-Bahn ist mit einer größeren Ausdehnung des

Absenktrichters und entsprechend stärkeren Auswirkungen auf die Geländeoberfläche zu rechnen.

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Projekt: 28.2288 Seite 45 11.01.2012

4.7 Grundwasserchemismus

Aus 10 Grundwassermessstellen (6 neu errichtete und 4 bestehende GWM) wurden nach dem

Klarpumpen insgesamt 10 Wasserproben zur Feststellung des Betonangriffgrads nach DIN 4030

gezogen. Eine Gegenüberstellung der Messwerte und der Grenzwerte der DIN 4030 ist in der An

lage 7.1 enthalten. Die Messprotokolle sind in [U 24] enthalten. In den Messstellen BK08/03,

BK08/07 und BK 22 wurde ein erhöhter Sulfat-Gehalt festgestellt, sodass diese Wasserproben der

Expositionsklasse XA 1 (schwach angreifend) zuzuordnen sind. Das Grundwasser aus allen ande

ren untersuchten Messstellen ist als nicht angreifend bezüglich Beton zu bewerten. Da den erhöh

ten Sulfatgehalten keine eindeutigen Ursachen zuzuordnen sind, wird aus Vorsorgegründen emp

fohlen, für den Tunnel insgesamt die Expositionsklasse XA 1 (schwach angreifend) anzusetzen.

Ebenfalls aus 10 Grundwassermessstellen wurden nach dem Klarpumpen zur Feststellung des

Metallangriffgrads des Grundwassers nach DIN 50 929 insgesamt 10 Wasserproben gezogen,

die auf die nach der DIN 50 929 geforderten Analysenparameter untersucht wurden. Eine Gege

nüberstellung der Messwerte und der Grenzwerte der DIN 50 929 ist in der Anlage 7.2 enthalten.

Im Ergebnis ist von einer geringen bis sehr geringen Mulden- und Lochkorrosion und einer

sehr geringen Flächenkorrosion an unlegierten Stählen an der Wasser-luft-Grenze auszugehen.

Grundwasserproben aus den Grundwassermessstellen BK 08/01 und BK 08/12 wurden zusätzlich

im Hinblick auf eine mögliche Versinterung / Verockerung von Brunnen und Dränagen untersucht.

Die wesentlichen Parameter zur Beurteilung der Versinterungs- und Verockerungsgefahr sind

in der Tabelle 4.7-1 zusammengestellt.

Die im Grundwasser festgestellten Eisen- und Mangangehalte sind vergleichsweise gering, sodass

eine Verockerung von Grundwasserfassungen oder Grundwasserdrainagen unwahrscheinlich ist.

Die bestimmten Calciumgehalte liegen ebenfalls unter der Grenze, ab der im Allgemeinen eine

Versinterungsgefährdung (> 200 mg/I) gesehen wird.

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Projekt: 28.2288 Seite 46 11.01 .2012

Parameter Wasserprobe

BK 08/01 BK 08/12

pH-Wert [-] 7,1 7,2

Calcium [mg/I] 147 153

Eisen, ges [mg/I] 0,15 0,02

Mangan [mg/I] 0,027 0,014

Tabelle 4.7-1: Chemische Grundwasseranalyseergebnise zur Beurteilung von Versinterungs

und Verockerungsgefährdung

5. VORTRIEBSVERFAHREN TUNNELSTRECKEN

5.1 Grundsätzliche Machbarkeit und Randbedingungen Tunnelvortrieb

Der Kernbereich des Tunnels weist eine Überdeckung von ca. 1 bis 1,5 Durchmessern auf. Bei

dem Tunnel Frankfurt-Ost handelt es sich damit nach [U 28] um einen seicht liegenden Tunnel.

Aus den vorliegenden Informationen zur Geologie und zur Hydrogeologie können die nachfolgen

den Aussagen zur Machbarkeit von bergmännischen Tunnelvortrieben abgeleitet werden. Aus tun

nelbautechnischer Sicht handelt es sich aufgrund der vorliegenden inhomogenen und z. T. stark

durchlässigen Baugrundschichten, dem hoch anstehenden Grundwasserspiegel und dem z.T. mit

geringer Überdeckung zu unterfahrenden Gebäuden um ein sehr anspruchsvolles Tunnelbauvor

haben. Hinzu kommt die Wechsellagerung aus rolligen / tonigen Lockergesteinen und massiven

Felsbänken. Bei der Festlegung des Bauverfahrens sind daher aus geotechnischer Sicht mindes

tens die nachfolgenden Randbedingungen besonders zu berücksichtigen.

• Es wird davon ausgegangen, dass für eine Absenkung des Grundwassers auf der vollen Län

ge der geplanten Tunnelstrecke erhebliche Bedenken bei den Genehmigungsbehörden beste

hen. Dies insbesondere unter Berücksichtigung der schlechten Erfahrungen am Baulos C 90

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Projekt: 28.2288 Seite 47 11.01.2012

der U-Bahn. Grundsätzlich ist aber eine Absenkung an der Station und im unmittelbaren Vor

triebsbereich ausreichend. Die Reichweite der Absenkung ist im Wesentlichen von der Absenk

tiefe abhängig und nur untergeordnet von der Länge der Tunnelstrecke. Hier ist frühzeitig eine

Klärung der Realisierbarkeit mit den Genehmigungsbehörden herbeizuführen. Ggf. können

auch Sondermaßnahmen, wie eine mit dem Vortrieb mitwandernde lokale Grundwasserabsen

kung mit Wiederversickerungsbrunnen, vorgesehen werden. Bei der Planung von Versicke

rungsbrunnen ist der Einfluss der lokalen Grundwasseraufhöhung auf die umliegende Bebau

ung zu untersuchen.

• Die Bebauung muss sicher und unter minimalen Senkungen der Oberfläche unterfahren wer

den können. Die entsprechenden Auswirkungen auf die Bebauung müssen so gering wie mög

lich gehalten werden.

• Das Vortriebsverfahren muss für stark inhomogene und wechselhafte geotechnische Ver

hältnisse ausgelegt werden; es müssen Böden mit rolligen und bindigen Lockergesteinseigen

schaften und Felsbänke durchfahren werden können.

Grundsätzlich erscheint aus geotechnischer und tunnelbautechnischer Sicht sowohl ein Tunnelvor

trieb nach der Spritzbetonbauweise im Schutze einer Grundwasserabsenkung, einer Drucklufthal

tung, einer Vereisung oder im Schutze eines Rohrschirms als auch ein maschineller Tunnelvortrieb

als Schildvortrieb mit einem Hydroschild oder einem Erddruckschild ausführbar. Der maschinelle

Vortrieb muss für die Durchfahrung der Kalksteinbänke ausgerüstet sein. Es ist sowohl bei einem

konventionellen Vortriebsverfahren als auch bei einem Maschinenvortrieb mit bautechnischen

Sondermaßnahmen zu rechnen, die für eine erfolgreiche Durchführung erforderlich werden. Der

Tunnelquerschnitt wird nach [U 6] einen Außendurchmesser von ca. 9,1 m aufweisen.

Die vorgeschlagenen Vortriebsklassen werden in Anlehnung an DIN 18312 bezeichnet. Sie ge

Iten für den gesamten Querschnitt der Tunnelröhren. Hinsichtlich der grundsätzlichen Definitionen

der Vortriebsklassen wird auf die Beschreibungen in DIN 18312 sowie die ETB [U 26] verwiesen.

Für den Ausbruch im Sinne einer Spritzbetonbauweise ist grundsätzlich die Ausbruchklasse 7 A

anzusetzen. Für einen Maschinenvortrieb ist die Ausbruchklasse V 2 maßgebend.

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Projekt: 28.2288 Seite 48 11.01.2012

Die aktuelle Trasse fährt neben einer Vorsorgemaßnahme vorbei. Bei einer Verlegung der Trasse

in Bereiche der Vorsorgemaßnahme, sind die geometrischen Einschränkungen der Vorsorge

maßnahme am Ostbahnhof ([U 7]) zu berücksichtigen, bzw. die Vorsorgemaßnahme muss ggf.

vorab bautechnisch modifiziert oder rückgebaut werden.

5.2 Spritzbetonbauweise

5.2.1 Randbedingungen für die Spritzbetonbauweise

Alle im Trassenbereich zu erwartenden Festgesteine sind bohrbar. Es können sich ggf. Probleme

infolge der schichtweise zu erwartenden Tone und durch Verstopfen der Spüldüsen ergeben. Es

sind Vorkehrungen für die Stabilisierung nicht standfester Bohrungen zu treffen, da ein Teil der

Bohrlöcher in den rolligen Lockergesteinen zu liegen kommen wird. Mit Bezug auf die einaxialen

Druckfestigkeiten der Kalkbänke ist das Gebirge in der Regel als nicht rammbar einzuschätzen.

Im Bereich zwischen Station Frankfurt - Ost und dem östlichen Tunnelende und in Bereichen

mächtiger Kalksande auf der gesamten Tunnelstrecke ist die Annahme eines wirksamen Gebirgs

tragrings aufgrund der Lage der Firste in den Mainterrassen sowie der geringen Überlagerung nur

eingeschränkt vorstellbar. Zur sicheren Auffahrung sind Zusatzmaßnahmen erforderlich. Hier wird

eine vorauseilende Vergütung des Gebirges empfohlen. Injektionen mit Zementsuspension

können zum Beispiel durch den Einbau von vermörtelten Spießschirmen erfolgen.

Die Tone und Schluffe sowie die Tonsteine der Hydrobienschichten, Inflatenschichten und Ceri

thienschichten neigen bei Wasserzutritt und mechanischer Beanspruchung zum Aufweichen; die

Ausbruchsohle ist daher zur Vermeidung von Verschlammung ebenfalls zu versiegeln. Es ist der

Einbau einer Fahrsohle erforderlich. Das im Vortrieb anfallende Wasser ist sorgfältig zu fassen und

rasch abzuleiten. Mit Bezug auf die anfallenden Restwassermengen sollte möglichst ein überwie

gend steigender Vortrieb ausgeführt werden, um einen dauerhaften Restwasserzufluss zur Orts

brust und die damit verbundene Aufweichung an der Ortsbrust bzw. im Widerlagerbereich der Ka

lotte zu verhindern.

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Projekt: 28.2288 Seite 49 11.01.2012

Auch bei schonendem Ausbruch lässt sich aufgrund des Gebirgsbaus insbesondere im Bereich

der Kalkbänke der Schichten 11.3 bis 11.5 geologisch bedingter Mehrausbruch nicht vermeiden.

In der Regel wird er umso größer sein, je größer die Bankmächtigkeit ist. Bei Einbau von Spieß

und Rohrschirmen ist damit zu rechnen, dass aufgrund der hiermit verbundenen Perforation des

Gebirges Nachbrüche bis zur Unterkante der Firstsicherungen auftreten.

5.2.2 Beherrschung des Grundwassers

Aus geotechnischer Sicht muss beim derzeitigen Planungsstadium davon ausgegangen werden,

dass eine Grundwasserabsenkung die Randbedingungen für einen Vortrieb in Spritzbetonbau

weise erheblich vereinfacht bzw. erst ermöglicht. Die Genehmigungsfähigkeit ist trotz der bisher in

Frankfurt mehrfach so ausgeführten Bauweise zu überprüfen (vgl. Kapitel 4.6). Bzgl. der Geneh

migungsfähigkeit bestehen Zweifel, die im Rahmen der weiterführenden Planung mit den zustän

digen Behörden zu klären sind. Hinzu kommt, dass bei einer dennoch genehmigten Grundwasser

absenkung genauer zu untersuchen ist, in welcher Größenordnung sich Setzungen an der GOF

ausbilden, nachdem die bindigen Böden unterhalb des Grundwasserspiegels liegen und entspre

chend gesättigt sind.

Um die Auswirkungen auf die Geländeoberfläche (vgl. Kap. 7.1) zu verringern kann durch geeigne

te Wahl der Filterstrecken versucht werden, den Quartärwasserspiegel nicht abzusenken. Der Er

folg einer derartigen "Absenktrennung" hängt von der Korrespondenz des Quartärwasserspiegels

mit dem Grundwasserspiegel in den Hydrobien-, Inflaten- und Cerithienschichten ab und somit da

von, ob eine durchgehende bindige Abtrennung der Schichten gegeben ist. Eine entsprechend

durchgängig ausgebildete bindige Trennschicht ist nach den vorliegenden Erkundungsergebnissen

nicht flächig vorhanden. Daher ist grundsätzlich von einer Kommunikation des Grundwassers in

den quartären Schichten und den tertiären Schichten auszugehen. Durch das Auskeilen der Hyd

robien-, Inflaten- und Cerithienschichten im Projektgebiet ist am Kopf der Schichten von einer hyd

raulischen Verbindung des tertiären Grundwasserstockwerks mit dem quartären Grundwasser

stockwerk auszugehen. In den nach Westen abtauchenden Schichten ist dann ein gespannter

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Projekt: 28.2288 Seite 50 11.01.2012

Grundwasserspiegel im Wesentlichen entsprechend dem Grundwasserstand an der Stelle, an der

die Schichten auskeilen, anzusetzen.

Nach den vorliegenden Erkundungsergebnissen ist für den Tunnelabschnitt zwischen Grüner

Straße und Station Frankfurt-Ost davon auszugehen, dass eine gewisse hydraulische Trennung

der Vortriebsstrecke zum quartären Grundwasserleiter vorliegt. Diese ist aber nicht durchgängig

und vollständig. Grundsätzlich kann aber in diesem Abschnitt aus dem Vortrieb heraus mit Ent

wässerungsbohrungen in der Ortsbrust oder einer Brunnenanordnung im Vortriebs bereich

der tertiäre Grundwasserspiegel soweit abgesenkt werden, dass die Restzuflussmengen zum Vor

trieb mit einer offenen Wasserhaltung beherrschbar sind. Durch Entwässerungsbohrungen in der

Ortsbrust können zusätzlich die ggf. subartesisch gespannten Grundwasserlinsen vorlaufend ent

wässert werden. Eine Entwässerung aus dem Vortrieb ist durch die geringeren Bau- und Betriebs

kosten voraussichtlich günstiger und die zu entnehmenden Wassermengen entsprechend gerin

ger. Die o.g. "Absenkabtrennung" des Quartärwasserspiegels ist vom Vortrieb darüberhinaus ein

facher, da die ggf. vorhandene bindige Trennschicht nicht mit Vertikalbrunnen durchörtert werden

muss. Lokal kann aber insbesondere über die sandigen Schichten ein Grundwasserzustrom aus

dem Quartär auftreten. Dies ist dann i.d.R. bei der dem Vortrieb vorauseilenden lokalen Grund

wasserabsenkung durch erhöhte Fördermengen oder einen unzureichenden Absenkerfolg festzus

tellen. Dem ist dann entweder durch erhöhte Förderraten und entsprechend größeren Auswirkun

gen der Grundwasserabsenkung oder durch eine Injektion der wasserführenden Schichten zu be

gegnen.

Im Streckenabschnitt zwischen der Station Frankfurt-Ost und dem östlichen Tunnelende werden in

der Firste die quartären Mainterrassen angeschnitten. In diesem Bereich kann eine Grundwas

serabsenkung nur in den quartären und den tertiären Schichten erfolgen. Es ist von entsprechend

hohen Fördermengen und Reichweiten auszugehen.

Zur Beherrschung des Grundwassers ist neben der vorbeschriebenen Absenkung ein Druckluft

vortrieb ausführbar. Dieses Vortriebsverfahren erfordert einen Luftüberdruck, der sich erfahrung

sgemäß nur bei Böden mit einem krWert < 1 x 10.5 m/s halten lässt. Bei größeren Durchlässigkei

ten treten entsprechend große Luftverluste und tritt die Gefahr von Ausbläsern auf. Im Streckenab-

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Projekt: 28.2288 Seite 51 11.01.2012

schnitt zwischen der Station Frankfurt-Ost und dem östlichen Tunnelende liegt die Tunnelfirste

überwiegend bereits in den durchlässigen bis stark durchlässigen rolligen Böden der oberen Main

terrasse (Auftauchen des Querschnitts). Die Mainterrasse ist dort noch durch dünne Auffüllungen

abgedeckt, die teils bindig, teils aber auch rollig sind. Ein Druckluftvortrieb erscheint in diesen Be

reichen weniger geeignet. Darüber hinaus lässt sich ein Druckluftvortrieb nur im Grundwasser wirt

schaftlich betreiben. Sobald die Firste aus dem Grundwasser auftaucht wird der Luftabstrom durch

die ungesättigten Bodenpartien groß. Hier ist dann vom Druckluftvortrieb auf ein anderes Verfah

ren umzustellen.

Im Bereich der Tunnelstrecke zwischen Grüner Straße und Station Frankfurt-Ost ist ein Druckluft

vortrieb hingegen denkbar, da nach den Erkundungsergebnissen davon auszugehen ist, dass na

hezu durchgängig bindige Horizonte im Baugrundaufbau oberhalb der Tunnelfirste vorhanden sind,

die eine entsprechend geringe Durchlässigkeit aufweisen. Im Falle eines Druckluftvortriebs sind

aber ggf. im Bereich von mächtigen Lagen von Kalksanden oder anderen rolligen Lagen Zusatz

maßnahmen (Abdichtungsinjektionen, etc.) zur Vermeidung von plötzlichen Druckabfall und zur

Gewährleistung der Ortsbruststabilität erforderlich.

Statt der Druckluftstützung kommt grundsätzlich auch eine Bodenvergütung mittels Injektionen

(Feinstbindemittelinjektionen, chemische Injektionen) zur Verminderung der Zuströmung von

Grundwasser in Frage. Nachdem die anstehenden bindigen Böden allerdings als schlecht injizier

bar einzustufen sind und auch in den zT verkarsteten Kalkbänken ein Injektionserfolg fraglich ist,

ist dieses Verfahren allerdings bei dem erkundeten Baugrundaufbau kaum ausführbar. Außerdem

führt eine entsprechende Bodenvergütung um die Tunnel herum zu einer permanenten Reduktion

der Durchlässigkeit, sodass sich ein zusätzlicher Grundwasseraufstau ergeben könnte. Die Bo

denvergütung kommt deshalb u. E. lediglich zur Beseitigung von lokalen Auflockerungen oder lokal

erhöhten Durchlässigkeiten in Frage. Ggf. ist auch bei Erfordernis eine Gebirgsvergütung zwischen

den beiden Tunnelröhren mit Injektionen möglich. Zur allgemeinen Bodenvergütung um die Tunnel

herum sind Injektionen hingegen beim anstehenden Baugrund nicht geeignet. Die Genehmigungs

fähigkeit ist im Rahmen der weiteren Planung ggf. zu überprüfen.

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Projekt: 28.2288 Seite 52 11.01.2012

Mittels Rohrschirmen lassen sich Baukörper sicher unterfahren. Dazu muss der lichte Abstand

zwischen Tunnel und Fundamenten mindestens 1,5 m betragen um den Rohrschirm einbauen zu

können. Dieser besteht üblicherweise aus Stahlrohren mit einer Wandstärke zwischen 10 und

20 mm und Durchmessern von ca. 150 mm.

Die Herstellung von Rohrschirmdecken führt durch die verschiedenen Herstellungsvorgänge zu re

lativ hohen Senkungen; die Ausführung ist nur oberhalb des Grundwasserspiegels möglich, so

dass je nach Lage der Gründungssohle eine örtliche Grundwasserabsenkung erforderlich würde.

Inwieweit ggf. eine Aufbereitung des geförderten Grundwassers erforderlich wäre, ist gegebenen

falls zu prüfen. Senkungen lassen sich ggf. durch Anordnung von Pressen an betroffenen Bauwer

ken oder durch Hebungsinjektionen rückstellen.

Die bei der Bodenverbesserung aufgeführten Nachteile lassen sich bei der Herstellung von Frost

körpern weitgehend vermeiden. Eine Beeinträchtigung der Grundwasser- und Bodenqualität findet

bei einer Vereisung nur bauzeitig, nicht aber dauerhaft statt. Die Abdichtung wirkt nur bauzeitlich.

Nach dem Abtauen des Frostkörpers ist die ursprüngliche Durchlässigkeit wieder vorhanden. Al

lerdings sind entsprechende Auswirkungen (Setzungserscheinungen beim Auftauen etc.) in bindi

gen Böden bekannt (Eislinsenbildung). Aufgrund der inhomogenen und stark wechselnden Bau

grundverhältnisse wird die Ausführung einer Vereisung maximal abschnittsweise ausführbar sein.

Die Eignung der anstehenden Böden muss im Rahmen der weiteren Planungsphasen anhand von

Versuchen ggf. noch geklärt werden.

Die Fließgeschwindigkeit des Grundwassers im Frankfurter Stadtgebiet ist relativ gering (siehe

Kap. 4.3), sodass eine Vereisung aus dieser Sicht ausführbar wäre. Allerdings ist zur Aufrecht

erhaltung des Frostkörpers ein erheblicher Energieaufwand erforderlich. Bei der geplanten Tunnel

länge von ca. 2 km ist daher aus jetziger Sicht mit erheblichen zusätzlichen Kosten gegenüber ei

nem Druckluftvortrieb zu rechnen.

Neben den genannten Verfahren zur Beherrschung des Grundwassers sind bei verschiedenen

Bauvorhaben zur Unterfahrung von Gebäuden auch Abschirmungen des Vortriebsbereichs

z. B. nach dem Soilcrete-Verfahren möglich. Im vorliegenden Fall müsste die so geschaffene

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Projekt: 28.2288 Seite 53 11.01.2012

Dichtwand aus Gründen des Grundwasserschutzes nach Fertigstellung vermutlich wieder aufgeb

rochen werden. Dabei liegt die erforderliche Tiefe mit bis über 20 m in dem Bereich, der durch

praktische Erfahrung abgedeckt ist. Tiefen> 25 m sind z.B. beim HDI-Verfahren bislang nicht

durch erfolgreiche Erfahrungen abgedeckt.

Auch eine Abschirmung des gesamten Tunnelvortriebs gegen das Grundwasser von der Gelände

oberfläche aus durch geeignete Abdichtwände ist technisch denkbar, allerdings bei der engaufste

henden Bebauung kaum wirtschaftlich ausführbar. Dazu wäre eine Einbindung in eine nahezu

wasserundurchlässige Schicht erforderlich, die nach der Baugrunderkundung mit den Hydrobien-,

Infalten- und Cerithienschichten nicht durchgängig anstehen.

5.2.3 Ausbruch und Sicherung

In Abhängigkeit von der Lösbarkeit des Gebirges bieten sich verschiedene Ausbruchverfahren

für die bergmännischen Vortriebsstrecken an. Für den größten Teil der aufzufahrenden Tunnel

wird unter Berücksichtigung der überwiegend relativ geringen Festigkeiten sowie der eingeschalte

ten härteren Gesteinspartien (Kalksteinbänke) ein konventioneller Baggervortrieb mit einem Tun

nelbagger für möglich erachtet. Abschnittsweise können beim Auftreten von mächtigeren und fes

teren Kalksteinbänken Meissel- oder Fräseinsatz erforderlich werden.

Ein Vortrieb im Vollausbruch ist aufgrund der Gebirgsverhältnisse nicht möglich. Eine Aufteilung

des Vortriebs in einen vorauseilenden Kalottenvortrieb und einen nachgezogenen Strossen

vortrieb I Sohlvortrieb ist schon aufgrund der geplanten Querschnittsgröße erforderlich. Im nicht

standfesten Gebirge, insbesondere von der Station Frankfurt - Ost bis zum östlichen Tunnelende

und bei geringer Überdeckung unter 1,5 D ist voraussichtlich eine weitere Unterteilung des Quer

schnitts z. B. in Firststollen, Ulmen- und Kalottenstollen und entsprechende Zusatzmaßnahmen

(Rohrschirm, etc.) nötig. Die Tone neigen bei Wasserzutritt und mechanischer Beanspruchung

zum Aufweichen; die Ausbruchsohle ist daher zur Vermeidung von Verschlammung ebenfalls zu

versiegeln. Es ist der Einbau einer Fahrsohle erforderlich. Das anfallende Wasser ist sorgfältig zu

fassen und rasch abzuleiten.

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Projekt: 28.2288 Seite 54 11.01.2012

Der erforderliche bzw. zulässige Nachlauf des Strossen- und gegebenenfalls des Sohlvortriebes

wird im Einzelfall anhand der statischen Berechnungen unter Zuhilfenahme tatsächlich gemesse

ner Verformungen im Tunnel und an der Oberfläche und deren Verlauf festgelegt.

Für das östliche Ende der Tunnelstrecke kann ein Rohrschirm eingesetzt werden. Ohne Zu

satzmaßnahmen ist Ld.R. über der Tunnelfirste eine Überdeckung von mindestens dem einfachen

Tunneldurchmesser erforderlich, insbesondere um ein ausreichende Gewölbewirkung zu gewähr

leisten. Mit einem Rohrschirm kann die erforderliche Überdeckung deutlich reduziert werden, da

die Tragwirkung über der Tunnelfirste bzw. der Kalotte vom Rohrschirm übernommen wird. Bei

Einsatz eines überschnittenen Rohrschirms kann die Überdeckung grundsätzlich auf die erforderli

che Überdeckung zum Einbau des Rohrschirms selber (ca. 3-fache Stärke des Rohrschirms) redu

ziert werden. Es wird allerdings aufgrund von Auflockerungen in den oberflächennah anstehenden

Baugrundschichten eine Mindestüberdeckung von mindestens 1,5 m bis 2 m über dem Rohrschirm

empfohlen.

5.2.4 Sicherungsmittel

Zur Sicherung des Hohlraumrands und zum Aufbau des Ausbauwiderstands werden als Siche

rungsmittel beim Vortrieb nach der Spritzbetonbauweise eine Kombination aus Spritzbeton, Aus

baubögen, Betonstahlmatten, Ankern, Stahlspießen und ggf. weiteren Zusatzmaßnahmen vorge

sehen. Ziel ist dabei, die Tragfähigkeit des Gebirges so weit wie möglich zu erhalten und Auflocke

rungen im anstehenden Gebirge möglichst gering zu halten. Die Sicherungsmittel können in Ab

hängigkeit von den jeweiligen Gebirgsverhältnissen sowohl nach Anzahl, als auch hinsichtlich ihrer

Abmessungen und ihrem Einbauort variiert werden.

Die Sicherungs- und Stützmaßnahmen sind in ihrem Umfang, ihrer Kombination und ihrem Ein

bauzeitpunkt von der Vortriebsweise und den statischen Erfordernissen abhängig. Sie bilden in ih

rer Gesamtheit das Außengewölbe. Ein wesentliches Entscheidungskriterium für die jeweilige Si

cherungsart, die Kombination der Sicherungsmittel und den Einbauzeitpunkt sind neben den aus

den statischen Berechnungen ermittelten Maßnahmen die Ergebnisse der geotechnischen Mes-

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Projekt: 28.2288 Seite 55 11.01.2012

sungen. Diese sind ein Indiz für die Gebirgsverformungen infolge des Ausbruchvorgangs sowie für

die Stabilisierung des den Hohlraum umgebenden Gebirgstragrings. Die Öffnungsweiten des un

gesicherten Gebirges müssen so gewählt werden, dass vor Einbau der Sicherungsmittel keine

schädliche Auflockerung des Gebirges eintritt und die Sicherheit der Vortriebsmannschaften ge

währleistet ist.

Die Spritzbetonsicherung gewährleistet durch hohlraumfreies, sattes Anschließen an das Gebir

ge im Zusammenwirken mit den übrigen Sicherungsmitteln die Entstehung einer Verbundkonstruk

tion Gebirge - Außenschale. Eine sofortige Versiegelung der nach dem Ausbruch freigelegten und

beräumten Tunnelleibungen einschließlich der Ortsbrust mit Spritzbeton ist vorzusehen.

Überprofil ist grundsätzlich auch für die besseren Vortriebsklassen vor dem Einbau der Bewehrung

auszuspritzen. Ein Auftragen des Spritzbetons in einem Arbeitsgang ist bei keiner der Vortriebs

klassen möglich. Mit Bezug auf die erforderlichen Spritzbetondicken ist zu prüfen, ob diese in zwei

oder mehr Lagen zeitlich voneinander getrennt aufgetragen werden müssen, um beim Auftragen

Ablösungen zu vermeiden. Dies gilt insbesondere für den Firstbereich ("über Kopf').

Grundsätzlich wird ein möglichst schneller Einbau des Traggewölbes aus Spritzbeton und Beton

stahimatten vor dem nächsten Abschlag gefordert. Die Ankerung kann um eine Abschlagslänge

nachlaufen. Für die Vortriebsklassen mit zweilagiger Bewehrung können der Einbau der inneren

Bewehrungslage und das Aufbringen des Restspritzbetons ebenfalls um eine Abschlagslänge

nachlaufen. In Abhängigkeit von den Resultaten der geotechnischen Messungen kann die Vervoll

ständigung der Sicherungen bei Einbau eines Stützkerns ein weiteres Feld nachlaufen, um den

ungehinderten Einbau der Systemankerung zu ermöglichen.

Zur Vermeidung größerer Schwankungen in der Innenschalenstärke, die erfahrungsgemäß eine

erhöhte Rissneigung im Innenschalenbeton initiieren, ist eine möglichst gleichmäßige und ebene

Spritzbetonoberfläche auszubilden. Hier ist das Zurückweichen der Spritzbetonschale zwischen

den Ausbaubögen, aber auch Dickenschwankungen in Umfangsrichtung zu vermeiden.

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Zur Sicherung gegen Felsablösungen und zur Stützung der Gebirgsoberfläche zwischen den Aus

bau bögen sowie zur Bewehrung des Spritzbetons werden Betonstahlmatten für alle Vortriebs

klassen vorgesehen. Es ist sicherzustellen, dass bei gleichzeitigem Einbau der Mattenbewehrung

und der Spritzbetonschale keine Hohlräume zwischen Matte und Gebirge entstehen. Ferner sind

die Matten so zu befestigen und zu verbinden, dass sie beim Einspritzen nicht federn. Dies kann

z. B. durch ausreichend sattes Anlegen an eine bereits eingebaute Spritzbetonlage oder durch zu

sätzliche Abstützungen und Befestigungen am Ausbaubogen erreicht werden. Es werden somit

Minderqualitäten und später unsichtbare Spritzschatten vermieden. Sollten sich bei der Ausführung

dabei Probleme ergeben, wird empfohlen, grundsätzlich den Spritzbeton vor Einbau der Matten

bewehrung profilgerecht einzubauen und die Bewehrung an der Spritzbeton lage zu befestigen.

Um eine ausreichende Schalentragwirkung zu erreichen wird empfohlen, für die Arbeitsfuge Kalot

te/Strosse mindestens eine Anschlussbewehrung 10 8 mm / 20 cm mit mindestens ausreichender

Einbindelänge vorzusehen. Die beim Einbau der Sicherungsmittel für die Strosse aufzubiegenden

Anschlusseisen der Bewehrungslage sind hierzu in einem geeigneten Gehäuse zu verwahren.

Gemäß Tab. 5.2.5-1 sind für alle Vortriebsarbeiten Ausbaubögen vorgesehen. Ausbaubögen

übernehmen im Verbund mit den Betonstahlmatten unmittelbar den Kopfschutz für die Vortriebs

mannschaft. Um im Verbund mit dem Spritzbeton einen Kraftschluss mit dem Gebirge zu bewir

ken, müssen die Bögen unmittelbar nach dem Setzen hinterspritzt werden.

Die Form und Ausbildung der Ausbaubögen soll ein möglichst sattes, fehlstellenfreies Einspritzen

der Bögen und damit einen guten Verbund mit der Spritzbetonschale ermöglichen. Für die Vor

triebsklassen in denen Spieße oder Rohrschirme eingebaut werden, dienen die Stahlbögen zu

sätzlich als deren Auflager. Der Einbau der Spieße durch das Gitterwerk des Bogens stellt gege

nüber der Verwendung von Walzprofilen (z. B. GI-Profil) eine Arbeitserleichterung dar und ermög

licht einen lagegenaueren Einbau der Spieße. Ausbaubögen dienen schließlich zur Profilierung für

den Vortrieb.

Mit Verschlechterung der Gebirgsverhältnisse sind ggf. stärkere Profile mit größerem Stahlquer

schnitt vorzusehen. Es wird empfohlen, bei stark bis sehr stark nachbrüchigem Gebirge zumindest

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Projekt: 28.2288 Seite 57 11.01.2012

optional einen Einsatz von Vollwandträgern (z.B. GI-Profile) einzuplanen. Um eine sichere Über

tragung von Normalkräften und Biegemomenten zu ermöglichen sind die Montagestöße innerhalb

eines Kalottenbogens entsprechend den Erfordernissen konstruktiv auszubilden. Ein durchgehen

der Kraftschluss zur Ausbruchsohle muss ebenfalls konstruktiv sichergestellt werden.

Der Einsatz von Lastverteilerschienen zur Auflagerung der Bogenfüße kann in den höheren Vor

triebsklassen aus Gründen der Standsicherheit erforderlich werden. Bei einem Einsatz dieser

Schienen ist durch geeignete Profilwahl und Anpassung der Spritztechnik ein durchgehender

Kraftschluss zur Ausbruchsohle sicherzustellen. Um die gewünschte Wirkung des Ausbaubogens

zu erhalten ist es von besonderer Bedeutung, dass die Aufstandsfläche entsprechend geeignet ist.

Bei den vorliegenden geologischen Verhältnissen besteht die Gefahr des Aufweichens der Auf

standsfläche. Ebenfalls ist eine Gründung des Gewölbes auf Spritzbetonrückprall oder auf Hohl

räumen / offenen Kluftfugen zu vermeiden. Ggf. sind die Bogenfüße durch Anschweißen entspre

chender Aufstandsbleche zu verbreitern um eine entsprechende Lastverteilung zu ermöglichen.

Beim nachlaufenden Strossenvortrieb wird jeder zweite Kalottenbogen in die Strosse verlängert. In

der Sohle sind keine Ausbaubögen vorgesehen. Beim Anschluss der Strossen bögen an die Kalot

tenbögen ist konstruktiv sicherzustellen, dass Normalkräfte sicher übertragen werden. Die o. g.

Ausführungen zur Aufstandsfläche der Ausbaubögen gelten entsprechend.

Die Systemankerung dient zur Homogenisierung des Gebirges, zur Stabilisierung des Gebirgs

tragringes und zur Beherrschung von möglichem Scherversagen während der Spannungsumlage

rung sowie zur Sicherung von möglichen Bruchkörpern aufgrund des Trennflächengefüges. Als

Ankertyp sind grundsätzlich IBO-Anker wegen der vermutlich schlechten Standfestigkeit der Bohr

löcher vorzusehen. Bei der Herstellung von SN-Anker ist eine vollständige Verfüllung des Bohrlo

ches mit Mörtel vor dem Einschieben der Ankerstangen zu gewährleisten.

Zur Erzielung eines kraftschlüssigen Anliegens der Ankerplatten und somit einer sofortigen Wirk

samkeit sind kugelsegmentförmig gestaltete Ankerplatten mit Langloch einzusetzen. Das Festset

zen der Anker mit der Ankerplatte nach erfolgter Mörtelerhärtung, muss spätestens nach dem

zweiten Bogen erfolgen. Typ, Länge und Anzahl der Anker wird in den unterschiedlichen Vor-

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Projekt: 28.2288 Seite 58 11.01.2012

triebs klassen spezifiziert. Die gemäß Tab. 5.2.5-1 abgeschätzten Ankerlängen von 4 bis 6 m in der

Kalotte sollten optional um Anker einer Länge I = 8 m ergänzt werden. Beim Strossenvortrieb kön

nen die Ankerlängen auf 3 bis 4 m reduziert werden. Zur Abschätzung der Gebrauchslasten für die

Systemankerung sind in Tab. 6.5-3 entsprechende Kennwerte angegeben.

Zur Vermeidung unkontrollierter Nachbrüche im Firstbereich ist der Einbau einer voreilenden

Firstsicherung von der Ortsbrust aus mit Spießen erforderlich. Grundsätzlich sind Injektions

bohrspießen vorgesehen, da somit gleichzeitg eine Vergütung der ggf. anstehenden rolligen

Schichten erfolgt. Hierfür sind schnell erhärtende Bindemittel vorzusehen. Die Länge der Spieße

ergibt sich aus der Maßgabe, dass sie ausreichend lang über die Ortsbrust des nächsten Abschla

ges hinausreichen müssen und auf dem letzten gesetzten Ausbaubogen aufliegen. Es wird emp

fohlen, Spieße mit einer Länge von mindestens L = 4 m (gute Verhältnisse) und L = 6 m (schlechte

Verhältnisse) vorzusehen, so dass ggf. die Herstellung von Spießschirmen mit mehrfacher Über

lappung ermöglicht wird.

Die Spieße sind möglichst früh einzubauen und auf den zuletzt gestellten Ausbaubogen aufzule

gen. Die Lagestabilität des Bogens ist durch entsprechende Aussteifungen sicherzustellen. Es ist

darüber hinaus zu gewährleisten, das die Bögen bereits eingespritzt ist, wenn die Spieße aufgelegt

werden.

Bei entsprechend ungünstigen Gebirgsverhältnissen kann es erforderlich werden den Vortrieb im

Schutze eines Rohrschirms auszuführen. Die Einzelschirme sind soweit zu überlappen, dass mit

Ausnahme von Restzwickeln ein doppelter Rohrschirm entsteht. Die Rohre sind mit Zementsus

pension zu verpressen. Eine Gebirgsverbesserung durch systematische, Packer-unterstützte Injek

tion aus den Rohrschirmen heraus ist zumindest in den bindigen Lockergesteinen wenig Erfolg

versprechend, in den Kalksandlagen kann aber von einer Gebirgsverbesserung ausgegangen

werden. Die Längen der Rohrschirme, die Überlappungen sowie die radiale Ausdehnung in den

Röhren sind statisch zu bemessen. Die Stahlrohre von etwa 10 cm Durchmesser und je nach Aus

führungsvariante bis zu 15 m Länge werden durch Zementverpressung kraftschlüssig ins Gebirge

eingebunden, wobei gleichzeitig das Rohr selbst vollständig verfüllt wird. Aufgrund der geologi

schen Verhältnisse wird ein Einbau unter Verwendung von verlorenen Bohrkronen empfohlen.

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Projekt: 28.2288 Seite 59 11.01.2012

Zur Stützung der Orts brust ist eine sofortige Versiegelung mit Spritzbeton vorzusehen .. Die Ver

siegelung ist unmittelbar nach dem Ausbruch und Freilegen der Ortsbrust aufzutragen. Ebenfalls

kann zur Sicherung der Ortsbrust ein Ortsbrustkeil vorgesehen werden. Gerade in den rolligen

Kalksanden kann der Ortsbrustkeil ggf. aber nur zeitweise mit ca. 45' geböscht werden, wodurch

eine erhebliche Behinderung des Vortriebs einhergeht. In Bereichen, in denen ein Brustkeil auf

grund seiner gegebenenfalls fehlenden Standfestigkeit nicht einsetzbar ist, sind Ortsbrustanker

vorzusehen (s. u.). Aufgrund der bereichsweise zu erwartenden wechselhafte Gebirgsverhältnis

sen wird empfohlen, eine Bedarfsposition für Ortsbrustanker auch für die niederen Vortriebsklas

sen einzuplanen.

Ortsbrustanker können bei örtlich ungünstigen Verhältnissen als Ergänzung zur Ausbildung von

Stützkernen erforderlich werden. Grundsätzlich sind ggf. Glasfaseranker einzusetzen, da sich hier

durch ein geringerer Einfluss auf den Baubetrieb ergibt. Die Länge der Anker ist auf die örtlichen

Gegebenheiten anzupassen; es ist von einer Mindestlänge von 6 m auszugehen. Sowohl für die

Ortsbrustanker, als auch für Radialanker kann für Vorentwurfszwecke von den in Tabelle 6.5-3

aufgeführten Mantelreibungswerten ausgegangen werden.

In den Sanden und Kiesen der Mainterrasse haben sich auch Ortsbrustsäulen (horizontale HDI

Säulen) bewährt. Bei entsprechend schlechten Gebrigsverhältnissen können diese zur Ortsbrust

sicherung und Stabilisierung des Vortriebbereichs eingebaut werden.

5.2.5 Vortriebsklassen

Die vorgeschlagenen Vortriebsklassen werden in Anlehnung an DIN 18312 bezeichnet. Sie ge

Iten für den gesamten Querschnitt der Tunnelröhren. Hinsichtlich der grundsätzlichen Definitionen

der Vortriebsklassen wird auf die Beschreibungen in DIN 18 312 sowie die ETB [U 26] verwiesen.

Mit Bezug auf die vorstehenden Ausführungen werden für Vorentwurfszwecke in Anlehnung an

[U 26] die in Tabelle 5.2.5-1 aufgeführten Sicherungsmittel für einen konventionellen bergmänni

schen Vortrieb angegeben.

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Projekt: 28.2288 Seite 60 11 .01 .2012

_____________ Vortriebsklasse 7A.1 7A.2 7A.3 7A.4 7A.S Sicherung _______________

Querschnitt m . Sohlgewölbe x x x x x Vortrieb Kalotte I Strosse x x x x x Teilausbruch Kalotte (X) X

Firststollen I Ulmenstollen (X) Kalottenabschlagslänge 1,50 m X - --_ .. - _ . - _. __ ._. __ . ----~--_.- ._--- --~ - -- - --------~---

_ ! ,_20 r:'l. ___ JJSL ___ X _ Yl. _____ . __ ._ .. ___ __ 0,80 m (X) X X --_ ... - _ . . -~------- _._~ ._ . - _._._ .. - -- .. ~---- -~_ ... _- --_.--0,50 m X

Strossenabschlagslänge 3,00 m X ...... -_._- ._--- - --_. -~-,---_._.- . -------_ .. _ ... - --- . -------

2,Q.D __ m ___ j)(L _ _..x _ ~.1)(l.. ._ _ _____ . _______ _ . __ ~~_S.O _m _ __ __ __ JJS) _ _ __ )( .. _ '_ I-- X . ___ ._ _ ___ _

1,00 m X

Ortsbrustversiegelung SPB X X X X X

Ortsbrustanker ~} ~} X X X

Kalottensohle ~} X X X X

Spritzbeton eins chI.

Abdichtungsträger

d = . ~O - ~5Gm _X X _ _ ()(L _ _ __ . ___ .

~5 :3Q_<:rn_ _ (><L _.tXi _____ )( __ X ___ 30 - 35 cm __ (XL __ j )(} _ _ (XL _ X _

Ausbaubögen

Bau"tahlrnal!.~n eil1lCl~i(J

.~austClhlf1latten_ einlagig __

35 - 40 cm

X

Q 188 A _ JX)

Q 257 A X -- -- - - - --

BCl~s~a_h~mCltten z::v.eilagig _. __ ... Q~5! A. ... Baustahlmatten zweilagig

Systemanker I =

1=

Selbstbohranker I = Vorauseilende Sicherung

Rohrschirm

(X) = nach Erfordernis

Q 377 A

4,Om X 0" • •

6,0 m

6,0 m

X

X X X

X ... _ . .- ----

X X .. - . . . .

X (X) .. _. I . - ---_ ..

(X) X X

(X) X

X X X

(X) X

Tabelle 5.2.5-1: Vortriebsklassen und Sicherungsm ittel für Vorentwurfszwecke

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X

X

X

X

X

X

X

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Das tunnelbautechnische Verhalten des Gebirges wird neben der Querschnittsgröße und -form

hauptsächlich durch die Gesteins- und Gebirgsfestigkeit, das Trennflächengefüge, Störungen,

Bergwasserandrang sowie der Überlagerungshöhe bestimmt. Grundprinzip des Vortriebsverfah

rens in Spritzbetonbauweise ist es, Auflockerungen des Gebirges soweit möglich zu vermeiden.

Entsprechend wurde aufgrund der geotechnischen Verhältnisse unter Verwendung der in Tabelle

5.2.5-1 skizzierten Vortriebsklassen die vorläufige Verteilung der Vortriebsklassen am Gesamtvor

trieb in Tabelle 5.2.5-2 abgeschätzt.

Es ist zu beachten, dass die angegebenen Streckenlängen nicht an einem Stück aufgefahren wer

den, sondern auch innerhalb eines Homogenbereichs mehrfache Wechsel zwischen den angege

benen Vortriebsklassen möglich und zu erwarten sind. Aufgrund der erkundeten geotechnischen

Verhältnisse wird der Tunnel auf jeden Fall in einer Vortriebsklasse mit vorauseilender Sicherung

und Ortsbrustsicherung aufgefahren werden.

In Bezug auf die vorläufige Abschätzung der Vortriebsklassen (Tabelle 5.2.5-1 und 5.2.5-2) sollte

im Rahmen der Entwurfsplanung geprüft werden, da niedrigere Klassen wirtschaftlich und bauzeit

lich erhebliche Vorteile aufweisen, ob ggf. Bereiche mit den Klassen 5A oder 6A und Unterklassen

gefahren werden können. Ein Vortrieb gänzlich ohne vorauseilende Sicherung und ohne Orts

brustsicherung (Klasse 4A) ist nach den geotechnischen Erkenntnissen nicht möglich.

Im Rahmen des Vortriebs erfolgt die örtliche Festlegung der Vortriebsklassen anhand der mess

technischen Überwachung und den Beobachtungen vor Ort. Maßgeblich dafür sind die Ortsbrust

stabilität und die Konvergenzmessungen des Hohlraums / der Spritzbetonschale sowie die Span

nungsmessungen in der Schale und die Ankerkraftmessungen.

Station Vortriebsklasse Länge Homogenbereich

[km] [m]

H1 ca. 52,900 - 53,717 7A.1 100

7A.2 150

7A.3 300

7A.4 200

7A.5 100

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Projekt: 28.2288 Seite 62 11 .01 .2012

Station Vortriebs klasse Länge Homogenbereich

[km] [m]

H2 ca. 53,930 - 54,050 7A.1 0

7A.2 0

7A.3 40

7A.4 25

7A.5 20

H3 ca. 54,050 - 54,250 7A.1 0

7A.2 0

7A.3 0

7A.4 50

7A.5 150

Tabelle 5.2.5-2: Abgeschätzte Verteilung der Ausbruchklassen am Gesamtvortrieb

Die detaillierte Festlegung zur Ausführung der Ausbruchsklassen erfolgt vor Ort in Abstimmung

zwischen Bauherr bzw. dessen Vertretern (Bauüberwachung, Tunnelbautechnischer Sachverstän

diger), ausführender Firma und dem Prüfingenieur anhand der örtlichen Verhältnisse. Ebenso ist

für den Wechsel der Vortriebsklassen ein entsprechendes abgestimmtes Vorgehen vorzusehen.

5.3 Maschineller Tunnelvortrieb

5.3.1 Randbedingungen für den maschinellen Tunnelvortrieb

Im Zuge einer stürmischen Entwicklung sind inzwischen Schilde mit Durchmessern von über 14 m

auf dem Markt, mit denen weltweit erfolgreich Tunnelvorhaben in geschlossener Bauweise und un

ter vergleichbaren schwierigeren Bodenverhältnissen abgeschlossen werden konnten . Auf [U 18]

wird hingewiesen. Beim Schildvortrieb wird die Ortsbrust mechanisch, durch Druckluft u. U. in Ver

bindung mit einer Membran aus Bentonit oder auf andere Weise gestützt; die Leibung erfährt ihre

Stützung durch einen Stahlzylinder, der sich auf dem bereits eingebauten Ausbau abstützt und

über hydraulische Pressen vorgeschoben wird .

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Projekt: 28.2288 Seite 63 11.01.2012

Die Wirtschaftlichkeitsgrenze liegt bei einem voll mechanischen Schild, wie er im vorstehenden Fall

zum Einsatz käme, bei ca. 2.500 m. Diese Grenze wäre beim Einsatz von zwei Maschinen und

Abzug des Stationsbereichs nicht erreicht; beim Einsatz einer Maschine, die nach Auffahren einer

Tunnelröhre zum Auffahren der zweiten Röhre umgesetzt würde, wäre sie noch überschritten; ein

Schildvortrieb ist deshalb sowohl technisch, als auch wirtschaftlich möglich.

Maschinelle Vortriebe sind im Vergleich zu konventionellen Vortrieben grundsätzlich weni

ger anpassungsfähig. Für den maschinellen Vortrieb sind in erster Linie die Festigkeit und Be

schaffenheit / Zusammensetzung des anstehenden Bodens und die genaue Kenntnis der Grund

wasserverhältnisse entscheidende Randbedingungen. Bezüglich dieser Randbedingungen wird

auf die Kapitel 2.2, 3.2 und 3.3 verwiesen.

Durch die hohe Verformbarkeit des Gebirges besteht zudem das Risiko der Verrollung der Vor

triebsmaschine. Dies kann u. a. dann der Fall sein, wenn durch eine ungenügende Verbreiung in

den Abschnitten mit hohem Tonanteil sehr große Drehmomente erforderlich werden. Bei der

Auswahl der Vortriebsmaschine sind diese Risiken zu berücksichtigen und rechnerisch nachzu

weisen (Widerstand aus Stützdruck, Andruckkraft Schneidrad / Werkzeuge, Reibungskraft

Schneidrad).

Weiterhin wird infolge der inhomogenen Gebirgsverhältnisse (Wechselfolge Lockergestein / Kalk

steinbänke) ein erhöhtes Verschleißpotential gesehen. Insbesondere auch bei "mixed face condi

tions", die u. a. bei der Wechsellagerung aus Lockergestein und Kalksteinbänken vorliegt, ist die

Anzahl der Rollenmeißel, die mit der Ortsbrust in Kontakt stehen, nicht bekannt. Steht z. S. nur die

Hälfte der Rollenmeißel mit der Ortsbrust in Kontakt, verdoppelt sich die Andruckkraft der Meißel.

Dies führt zu einer Überschreitung der kritischen Andruckkraft und somit zu erhöhtem Verschleiß

bei den Rollenmeißeln und ggf. zu weiteren Schäden an der Vortriebsmaschine.

In Bezug auf das Verschleißpotential wurde die Abrasivität und die Brechbarkeit der im Stations

bereich und im Bereich des Tunnelvortriebs anstehenden Schichten nach dem Cerchar

Abrasivitäts-Index (CAI) sowie nach dem Abrasivitäts-Index nach LCPC (ABR) und des Brechbar

keits-Index nach LCPC (SR) im felsmechanischen Labor bestimmt (siehe Anlage 6.13). In den re-

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Projekt: 28.2288 Seite 64 11.01.2012

levaten Bereichen wurden die Kalksande und die Kalksteine als mäßig abrasiv eingestuft und

weisen eine schwache bis mittlere Brechbarkeit auf, die anstehenden Tone und Schluffe sind

nicht bis kaum abrasiv und weisen eine starke Brechbarkeit auf.

Es ist darüber hinaus ein Modus für außerplanmäßige Maschinenstillstände (z. B. für Werk

zeugwechsel oder aus anderen Gründen) vorzusehen, bei dem ein Einstieg zwischen Ortsbrust

und Schneidrad erforderlich wird. Insbesondere im Bereich mit fehlender Standsicherheit der Orts

brust ist eine künstliche Stützung erforderlich.

Für die Mindestüberdeckung des Tunnelquerschnitts (Firste Schneid rad) zur Geländeoberfläche

bzw. zur UK Gründung von Bauwerken kann von dem einfachen Tunneldurchmesser (1 0) ausge

gangen werden. Die Angaben zur Mindestüberdeckung stehen wie bei der Spritzbetonbauweise

(vgl. Kapitel 5.2) unter den dort angegebenen Vorbehalten. Wenn zusätzlich eine Vergütung des

Baugrunds über der Firste vorgesehen wird (insbesondere am östlichen Tunnelende ) kann die

Überdeckung deutlich reduziert werden. Als Möglichkeiten stehen Injektionsmaßnahmen, Boden

ersatzmaßnahmen wie z.B. Hochdruckinjektionen (HOl) u.ä. zur Auswahl.

5.3.2 Auswahl des Maschinentyps

Aufgrund der beschriebenen geotechnischen Verhältnisse ist für den bergmännischen Vortrieb

zwischen Bestandstunnel (ca. km 52+900) und Station Frankfurt/Main - Ost für einen maschinellen

Vortrieb von insgesamt sehr wechselhaften geotechnischen Verhältnissen auszugehen. Die zur

Wahl stehende TVM muss darauf ausgelegt sein, dass sie zum einen Kalksteinbänke mit hoher

Festigkeit durchfahren kann, zum anderen aber überwiegend auch Bereiche mit Lockergesteinsei

genschaften bei überwiegendem Tonanteil und ausgeprägt plastischen Tonen bewältigen kann.

Infolge des Lockergesteinsaufbaus und der vorhandenen Grundwasserverhältnisse ist eine Ma

schine mit Schild erforderlich, um das Gebirge im Nahbereich des Querschnitts bis zum Einbau

der Tübbinge zu sichern. Die Einsatzbereiche und Auswahlkriterien der Vortriebsmaschienen nach

den OAUB-Empfehlungen (2010)([U 16]) sind zu beachten. Nach [U 16] sind im Lockergestein mit

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Wechsellagerungen bzw. bindigen Verhältnissen unterhalb des Grundwasserspiegels Schildma

schinen (Vollschnittmaschine) mit Erddruckstützung (SM-V5), mit Flüssigkeitsstützung (SM-V4)

oder mit Druckluftstützung (SM-V3) einsetzbar. Aufgrund der Lage der Tunnelsohle von bis zu ca.

16 m unter dem bauzeitigen Bemessungswasserstand, ist die Vortiebsmaschine für einen mögli

chen Stützdruck von min. 1,6 bar zu bemessen (exklusive des Erddrucks bzw. der Auflast). Für ei

ne Maschine mit Flüssigkeitsstützung (SM-V4) besteht bei den anstehenden bindigen Böden er

höhte Verklebungsgefahr bzw. ein hoher Aufwand für die Separierung. Ein Einsatz einer Schild

maschine mit flüssigkeitsgestützer Ortsbrust wird somit voraussichtlich aus wirtschaftlichen Grün

den ausscheiden. Für den Einsatz einer Maschine mit Druckluftstützung (SM-V3) liegen die ermit

telten, starken Brechbarkeiten (LCPC-Index) der tonigen Schichten in den Cerithienschichten im

kritischen Einsatzbereich ([U 16]).

Bei Einsatz einer offenen Tunnelvortriebsmaschine (möglich bei SM-V5) kann das Gebirge erst

hinter dem Bohrkopf gesichert werden; die erwarteten geringen Standzeiten des Gebirges sind zu

berücksichtigen. Im Bereich der Kalksande sind Probleme mit der Ortsbruststabilität auch unter

Berücksichtigung des ggf. anfallenden, erheblichen Wasserandrangs zu erwarten. Es ist davon

auszugehen, dass der Vortrieb im offenen Modus nicht ausgeführt werden kann und somit über

wiegend im geschlossenen Modus gefahren werden muss.

Für den geschlossenen Modus ist der Erdbrei so zu konditionieren, dass bei den angegebenen

Tonanteilen eine Verklebung der Abbauwerkzeuge verhindert wird und gleichzeitig eine wirtschaft

liche Förderung des Erdbreis, möglich ist. Auf Basis der ausgeführten Laborversuche ist mit einem

erhöhten Aufwand für die Konditionierung des Erdbreis im geschlossenen Modus zu rechnen.

Die Konditionierung erfolgt in Abhängigkeit der Konsistzenzahl entweder mit Wasser (le'" 0,4 -

0,75) oder mit Ton- und Polymersuspensionen / Tensidschäumen (le> 0,75). Die Konsistenzzahl

ist auch den Laboruntersuchungen im Mittel> 1,0. Insofern wird eine Konditionierung mit Ton

oder Polymersuspensionen / Tensidschäumen empfohlen. Der Erdbrei sollte idealerweise aus ei

nem bindigen Boden mit weicher bis breiiger Konsistenz, hohem Wasserbindevermögen und ge

ringer Wasserdurchlässigkeit bestehen. Zur qualitativen Beurteilung der des Verklebungspotentials

wurde eine Bewertung nach THEWES herangezogen (siehe Anlage 12). Die Auswertung der im

Baufeld angetroffenen relevanten Schichten zeigt, dass insbesondere die Hydrobienschichten

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(Schicht 11.3) ein hohes Verklebungspotential aufweisen. Die Inflatenschichten (Schicht 11.4) und

die Cerithienschichten (Schicht 11.5) weisen dagegen ein niedriges bis mittleres Verklebungspo

tential auf. Die Verklebungsgefahr beim Schildvortrieb wird deshalb als gegeben eingestuft.

Der Bohrkopf der Vortriebsmaschine muss neben den Schälmessern für die bindigen Böden mit

Rollenmeißeln für die Auffahrung der Kalksteinbänke ausgerüstet werden. Zusätzlich muss ein

Brecher für die Förderanlage vorgesehen werden.

5.3.3 Tübbingausbau

An die konstruktive Ausbildung des Tübbingausbaus bestehen aus geotechnischer Sicht keine be

sonderen Anforderungen. Auf die entsprechenden Maßgaben zur Beton- und Stahlaggressivität

wird verwiesen.

Inwieweit ein Vollschnittvortrieb mittels einer TVM im Hinblick auf die Querschläge wirtschaftlich

ist. ist in der weiteren Planung zu prüfen. Die Querschläge müssen auch beim Einsatz einer Tunnel

vortriebsmaschine konventionell erfolgen.

5.4 Vorsorgemaßnahme Unterfahrung U-Bahn

Gemäß der aktuellen Planung wird die Tunnelstrecke nördlich an der nachfolgend beschriebenen

Vorsorgemaßnahme vorbeigeführt. Eine Beeinflussung des Vortriebs durch die Vorsorgemaßnah

me besteht somit nicht. Die nachfolgenden Hinweise gelten nur für eine mögliche geänderte Tras

senführung. Bei der Planung des Vortriebs und der Tunnelschale ist aber die Unterfahrung der U

Bahn-Station zu berücksichtigen und ggf. entsprechende Sicherungsmaßnahmen vorzusehen

Im Rahmen des U-Bahn-Baus der Grundstrecke C. Los 90 wurde im Bereich der Station .. Ost

bahnhof" / Danziger Platz gemäß Machbarkeitsstudie [U 4] und [U 7] eine Vorsorgemaßnahme für

die Tunnelstrecke der Nordmainischen S-Bahn ausgeführt. Aufgrund des Standes der Technik

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zum Zeitpunkt der Planung dieser Vorsorgemaßnahme ca. im Jahr 1987 wurde für den Bau der

unterquerenden Tunnelstrecke der Nordmainischen S-Bahn wohl von einer Spritzbetonbauweise

ausgegangen.

Der U-Bahn-Tunnel bzw. die Station wurde nach den vorliegenden Unterlagen auf insgesamt 4

Pfahlreihen gegründet. Jeweils zwischen 2 dieser Pfahlreihen sollte gemäß Vorsorgemaßnahme

der Tunnelvortrieb der Nordmainischen S-Bahn erfolgen. Die lichte Weite zwischen den Pfahlrei

hen liegt nach [U 7] bei minimal ca. 6,8 m. Für die Bodenplatte des U-Bahn Tunnels wurde vermut

lich ein Bettungsausfall für den Fall der Unterfahrung angesetzt, und davon ausgegangen, dass die

Gründungslasten in diesem Fall über die Pfähle abgetragen werden. Bei den Pfählen soll es sich

nach [U 7] um bewehrte Bohrpfähle mit einem Durchmesser von 1,2 m handeln.

Der lichte Pfahlabstand quer zum geplanten Tunnelvortrieb von ca. 6,8 m ermöglicht somit keinen

maschinellen Vortrieb auf Basis des in Kapitel 5.1 genannten Regelprofils mit einem Außendurch

messer von ca. 9,1 m, wenn die Vorsorgemaßnahme wie ursprünglich vorgesehen, für den Tunnel

der Nordmainischen S-Bahn verwendet werden soll. Da die Vortriebstechnik des maschinellen

Tunnelbaus seit 1987 erheblich weiterentwickelt wurde, sollte die vorhandene Vorsorgemaßnahme

im Rahmen der Planung des Tunnels für die Nordmainische S-Bahn in diesem Bezug auf ihre

Notwendigkeit hin überprüf! werden.

Es ist technisch ausführbar, die vorhandenen Pfahlreihen über einen dazu herzustellenden Ver

sorgungsschacht und einen bergmännischen Pilotstollen im Bereich des geplanten Tunnelvortriebs

abzubrechen und die dann verbleibende Flachgründung der U-Bahn nötigenfalls so zu ertüchtigen,

dass ein maschineller Vortrieb problemlos durchgeführt werden kann. Die Tunnelschale der zu ers

tellenden Röhren ist dann auf die erhöhten Anforderungen aus der überlagernden U-Bahn-Station

zu bemessen. Entsprechende Arbeiten wurden für den City Tunnel in Leipzig im Bereich des

mehrstöckigen Hotels Mariott mit komplexen Gründungsverhältnissen ausgeführt. Zusätzlich kann

durch die seit 1987 erheblich fortgeschrittene Rechentechnik eine Neuberechnung der Grün

dungsverhältnisse des U-Bahn-Tunnels und der Interaktion zwischen bestehendem Bauwerk und

geplantem Tunnel durchgeführt werden, mit denen sich u. E. entspreChende Reserven im Hinblick

auf die Gründung und die Bodenplatte ermitteln lassen.

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Die aus den Abbruchmaßnahmen entstehenden zusätzlichen Kosten sind im Rahmen der Ent

wurfsplanung bzw. im Rahmen einer Risikoanalyse I eines Vergleichs der Spritzbetonbauweise mit

einem maschinellen Vortrieb im konkreten Fall, besonders unter Berücksichtigung der Grundwas

serproblematik beim Spritzbetonvortrieb, zu bewerten. Nach den Erfahrungen bei vergleichbaren

Projekten sind die zusätzlichen Kosten im Vergleich zu den Kosten der Gesamtbaumaßnahme und

den ggf. vorhandenen Ausführungsrisiken (s.o.) von untergeordneter Relevanz.

5.5 Ein- und Ausfahrsicherung Station Frankfurt/Main - Ost I Danziger Platz

An den Stirnseiten der Baugrube wird zur Ein- bzw. Ausfahrt der Tunnelbohrmaschine aus der

Baugrube ein Dichtblock empfohlen. Ca. 5 - 6 m über der Firste des Tunnels ist an den Stirnwän

den mit quartären, durchlässigen Schichten zu rechnen. Die Sande und Kiese der Mainterrasse

wurden bis ca. 9,0 m unter GOF angetroffen. Darunter folgt zunächst der Verwitterungshorizont

der Cerithienschichten mit zT stark wechselnden Durchlässigkeiten. Ein hinreichende Abdichtung

durch die Cerithienschichten kann nach den Erkundungsergebnissen somit nicht vorausgesetzt

werden.

Für die Ausfahrt aus der Station bzw. für die Einfahrt in die Station Frankfurt/Main Ost sind bei

nicht abgesenktem Grundwasserspiegel somit Zusatzmaßnahmen erforderlich, um Boden- und

Wassereinbrüche zu verhindern. Zusätzlich zu einer entsprechenden Brillenwandausbildung ein

schließlich entsprechender Ein- und Ausfahrtöpfe und -dichtungen sind erdseitig der Baugruben

umschließungen Dichtblöcke herzustellen. Folgende Herstellungsverfahren kommen dabei infrage:

• Injektionsblöcke;

• HDI-Dichtblöcke;

• Gefrierblöcke,

• gegreiferter Magerbetonblock I Zement-Betonit-Block.

Injektionsblöcke sind aufgrund des heterogenen Baugrundaufbaus im Bereich der Station Frank

furt lOst nur sehr schwer mit einer ausreichenden Dichtigkeit herzustellen. Am beiden Enden der

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Projekt: 28.2288 Seite 69 11.01.2012

geplanten Station liegt der Ein-/Ausfahrtbereich zwar noch vollständig in den grauen Cerithien

schichten (Schicht 11.5a), es liegt aber eine Wechsellagerung von Kalksanden, Tonen und Kalk

bänken vor, in denen vermutlich auf Grund von Verkarstung ein Kernverlust bei den Erkundungs

bohrungen aufgetreten ist. Aufgrund der wechselnden Schichten und der stark unterschiedlichen

Durchlässigkeiten ist ein Abdichtungserfolgt nur schwer zu erreichen. Grundsätzlich müsste eine

Mehrstufige Injektion durchgeführt werden. Zunächst muss mit einer entsprechend dickflüssigen

Suspension die Wasserwegigkeiten in den Kalkbänken abgedichtet werden. Zur Abdichtung der

Sande ist eine Zement- oder Feinzementinjektion erforderlich. In einem weiteren Injektionsgang

müssten dann mit Feinstzementen die verbleibenden Hohlräume und die feinsandigen bis bindigen

Schichten abgedichtet werden.

HDI-Dichtblöcke sind in den rolligen und bindigen Böden grundsätzlich ausführbar. In den Kalk

steinbänken wird sich kein HDI-Körper oder ggf. ein Körper mit nur geringem Durchmesser ausbil

den, Ggf, vorhandene Klüfte in den Kalksteinbänken werden aber mit der Suspension wirksam

verschlossen.

Mit Bezug auf die Havarie am Landwehrkanaltunnel in Berlin müssen die Bohrungen bei der Hers

tellung jedoch sorgfältig auf ihre Richtungsgenauigkeit hin untersucht werden, In entsprechenden

Versuchsfeldern sind in identischen Böden die erreichbaren Durchmesser nachzuweisen. Vor In

betriebnahme ist die Dichtigkeit der Blöcke z, B, durch Kernbohrungen und Wasserabpressversu

che zu prüfen, Die betreffenden Bohrungen sind anschließend zu verpressen, Gleiches gilt für Ge

frierblöcke,

Im Schutze eines Verbaus (vorgebohrter Spundwandverbau, unbewehrter Bohrpfahlverbau) kann

im Unterwasseraushub ein gegreiferter Magerbetondichtblock / Zement-Betonit-Block erstellt

werden. Alternativ kann ein solcher Magerbeton Dichtblock auch mit in der Fläche überschnittenen

Großbohrpfählen ohne Verbau hergestellt werden, Ein solcher Dichtblock ist zwar vergleichsweise

aufwendig herzustellen aber leicht kontrollierbar und relativ sicher wasserdicht auszuführen, Die

Fuge zwischen Verbauwand der Station und Dichtblock muss nach dem Abbinden des Dichtblocks

wasserdicht verpresst werden, Hierzu sind während der Erstellung des Dichtblocks Verpress

schläuche einzubauen,

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Projekt: 28.2288 Seite 70 11.01.2012

Für das Ein- und Ausfahren sind Havariekonzepte zu erstellen. Diese werden zweckmäßigerwei

se mit Brunnenbohrungen kombiniert, aus denen im Notfall mit entsprechend leistungsstarken

Pumpen die erforderliche Absenkung erzielt werden kann. Wegen der z.T. hoch durchlässigen rol

ligen Böden und dem beträchtlichen Wasserdruck über der Firste wird empfohlen das Grundwas

ser für den Ausfahr-Einfahr-Vorgang kurzfristig abzusenken. Voraussichtlich reicht dazu eine Ab

senkung für wenige Tage mit entsprechend geringen Reichweiten aus. Gegebenenfalls kommt

auch eine Teilabsenkung infrage.

Im Falle eines maschinellen Tunnelvortriebs ist als Variante eine Durchfahrt des Tunnelvortriebs

vor Herstellung der Stationsbaugrube zu prüfen. Es kann in diesem Fall auf die technisch aufwen

digen Dichtblöcke für den Einfahr-/Ausfahrvorgang und eine entsprechend angepasste Ausführung

der Baugrubenumschließung (Bewehrung, etc.) verzichtet werden, der Transport der Maschine

durch die Station entfällt ebenfalls.

5.6 Tunnelstrecke Station Frankfurt/Main - Ost bis Tunnelende km 54,245

Im Anschluss an die Station Frankfurt/Main - Ost in Richtung Hanau sind ca. 280 m Strecke unter

halb der Geländeoberfläche in zwei Röhren zu erstellen. Die Gradiente steigt von der Station mit

ca. 4 % in Richtung Hanau an. Bei ca. km 54+480 liegt die Trasse dann geländegleich mit der be

stehenden OB-Strecke 3660.

Laut den vorliegenden Unterlagen soll auf einer Länge von ca. 235 m, d.h. von ca. km 54+245 bis

km 54+480 ein Trogbauwerk erstellt werden. Vom Ende der Station (ca. km 53+930) bis zum Be

ginn des Trogs ist derzeit ein bergmännischer Vortrieb geplant, der allerdings in Abhängigkeit von

den geotechnischen Randbedingungen abschnittsweise offen hergestellt werden kann bzw. muss.

Nach Auswertung der Erkundungsergebnisse und den Archivunterlagen wird für einen bergmänni

schen Vortrieb ohne Zusatzmaßnahmen eine Mindestüberdeckung vom einfachen Tunneldurch

messer (1 x 0) erforderlich. Ab etwa km 54,1 ist damit zu rechnen, dass in der Tunnelfirste Auffül

lungen des Bahndamms angetroffen werden. Vorauslaufend zu dieser Station werden Zusatzmaß-

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Projekt: 28.2288 Seite 71 11.01.2012

nahmen für die bergmännische Auffahrung der Tunnelröhren erforderlich. Für einen maschinellen

Vortrieb sowie für die Spritzbetonbauweise kann eine Sicherung des über der Tunnelfirste lagern

den Bodens durch eine Baugrundvergütung (Zement-Injektionen, HDI, etc.) erfolgen.

Alternativ kann dieses Teilstück bis zum Beginn des Trogs auch im Hinblick auf die nicht vorhan

dene Bebauung in einer offenen Bauweise errichtet werden, die ggf. wirtschaftlicher ausgeführt

werden kann als ein bergmännischer Vortrieb.

6. STATION FRANKFURT/MAIN - OST I DANZIGER PLATZ

6.1 Allgemeine Randbedingungen für den Bau der Station

Im Bereich des Danziger Platzes ist die Errichtung einer unterirdischen S-Bahn-Station geplant

(km 53+717 bis km 53+930). Die Station soll sowohl am östlichen und westlichen Ende der Station

als auch im mittleren Bereich über Zugangsbauwerk mit Treppen, Fahrtreppen und Aufzügen über

eine B-Ebene an die Oberfläche erschlossen werden. Am Westende der Station ist ein Zugang zur

B-Ebene der angrenzenden U-Bahn-Station mit Treppen und Fahrtreppen vorgesehen. Die Station

soll einen Mittelbahnsteig mit 210 m Nutzlänge erhalten. Nach [U 7] soll die Gründungssohle des

Stationsbauwerks am östlichen und westlichen Ende jeweils bei ca. 75,4 m NHN (zzgl. 0,6 m Kies

filterschicht, UK m Kiesfilterschicht, UK 74,8 m NHN) und damit ca. 24,5 m unter GOF liegen. Die

se Bereich sind jeweils ca. 20 m lang. Im mittleren Bereich der Station ist die Gründungssohle auf

76,55 m NHN (zzgl. 0,5 m Kiesfilterschicht, UK m Kiesfilterschicht, UK 76,05 m NHN) und damit

ca. 23,5 m unter GOF vorgesehen. Die Breite des Bauwerks soll nach [U 5] ca. 22 m betragen und

sich zu den Bauwerksende auf ca. 25,3 m aufweiten. Für die Baugrube sind Bohrpfahl- oder

Schlitzwände mit einer Stärke von 1,5 m vorgesehen, so dass sich unter Berücksichtigung eines

Arbeitsraums von 0,5 m die Breite der Baugrube bezogen auf die Außenkante der Verbauwände

zu ca. 24 m ergibt. Das Bauwerk soll im Wesentlichen bis zur Geländeoberfläche hoch geführt

werden.

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6.2 Geologische Verhältnisse im Bereich der Station

Im Bereich des Danziger Platzes stehen zuoberst Auffüllungen (Schicht 1) mit Mächtigkeiten von

bis zu ca. 9 m, im Mittel 5 - 6 m an. Der östliche Bereich der geplanten Station liegt bereits in der

etwa 3 m hohen Dammaufschüttung der Gleisanlagen, so dass hier mit Auffüllmächtigkeiten von

bis zu ca. 12 m zu rechnen ist. Unter den Auffüllungen liegen bereichsweise Auelehme (Schicht

1.2b) mit Schichtmächtigkeiten von bis zu ca. 3 m vor.

Darunter, bzw. wo die Auelehme fehlen, direkt unter den Auffüllungen, folgen Sande und Kiese der

Mainterrassen (Schicht IA). Die Terrassen des Mains sind hier bis ca. 8 m mächtig. Darunter ste

hen bis zur vorliegenden Erkundungstiefe von ca. 40 m die Cerithienschichten (Schicht 11.5) an. In

flaten- und Hydrobienschichten sind im Bereich der Station bereits ausgekeilt und fehlen deshalb.

6.3 Grundwasserverhältnisse im Bereich der Station

Das Grundwasser wurde nach den aktuellen Messungen sowie nach [U 2] und [U 4] zwischen 92,8

und 94,7 m NHN angetroffen. Die bislang beobachteten tiefsten Wasserstände von ca. 86 - 88,3

m NN sind auf die Grundwasserhaltungsmaßnahmen an den benachbarten U-Bahn- und S-Bahn

Baulosen zurückzuführen.

Die Schienenoberkante im Bereich der Station der S-Bahn-Strecke ist in [U 6] mit 81,83 m NHN

angegeben. Die OK der Station liegt demnach bei ca. 90,3 m NHN und somit ca. 9,7 m unter der

Geländeoberfläche des Danziger Platzes. Das Stationsbauwerk liegt somit, mit Ausnahme der Zu

gänge, weitgehend in den Cerithienschichten (Schicht 11.5). Das Stationsbauwerk liegt auf jedem

Fall (mit Ausnahme der Zugänge) vollständig unter dem Grundwasserspiegel. Direkt über dem

Stationsbauwerk stehen die Sande und Kiese der Mainterrasse (Schicht IA) an, sodass von einer

dauerhaften Grundwasserbeanspruchung des Bauwerks auszugehen ist.

Eine nennenswerte Beeinflussung des quartären und tertiären Auqifers gegeneinnader, konnte mit

den Versuchen nicht festgestellt werden. Es kann daher zu mindestens lokal tür den Danziger

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Projekt: 28.2288 Seite 73 11.01,2012

Platz davon ausgegangen werden, dass der quartäre und der tertiäre Grundwasserleiter vo

neinander durch ein durchgehendes, geringer durchlässiges Schichtpaket getrennt sind.

Bei den Pumpversuchen in den quartären Messstellen BK 08/07 und BK 09/05 konnte weder in

den quartären noch in den tertiären umliegenden Messstellen eine Absenkung festgestellt werden,

obwohl der Absenkbetrag in der BK 08/07 mit 4,2 m erheblich ist Dies lässt auf eine geringe

Reichweite bei nicht allzu hoher Durchlässigkeit des Quartärs (ca, 1 x 10-4 m/s) schließen,

Beim Langzeitpumpversuch in der BK 09/03 (Absenkung = 11,8 m) wurden noch deutliche Ab

senkbeträge in den ca, 120 m entfernt liegenden Beobachtungsmessstellen BK 09/06 und BK 13

(B) im Tertiär festgestellt, während die näher liegenden quartären Messstellen BK 09/05 und BL

08/07 keine Absenkung zeigten,

Beim Pumpversuch in der BK 09/06 (Absenkung = 21,2 m) im Tertiär wurde in der ca, 19,4 m ent

fernten tertiären Messstelle B 13 (B) noch eine maximale Absenkung von 1,24 m gemessen, Die

weiter entfernten tertiären Messstellen BK 09/08 (ca, 77 m entfernt) und BK 08/015 (ca, 130 m ent

fernt) zeigen kaum noch eine Absenkung (3 cm bzw, 5 cm), Ebenso konnte in den quartären

Messstellen (BK 08/07, BK 09/05 und BK 09/10), die zwischen 43 mund 70 m entfernt liegen, kei

ne Absenkungen festgestellt werden,

Die Beobachtungsmessstellen im Tertiär (BK 09/06, BK 13(B) und BK 08/05) zeigen während dem

Pumpversuch in der BK 09/08 (Tertiär) eine Absenkung mit allerdings deutlich kleineren Beträgen,

Bei diesem Versuch zeigt aber auch die quartäre Messtelle BK 08/07 eine leichte Absenkung, In

sgesamt ist dieser Pumpversuch und die Beobachtungsmessungen aber von anderen Effekten

(wahrscheinlich Wasserentnahmen, u,a, der EZB) überprägt

Während der Beobachtungszeit der Pumpversuche wurde unabhängig von den Pumpversuchen

ein zT deutliches Absinken des Grundwasserspiegels in fast allen Messstellen (sowohl im quartär

als auch im Tertiär) beobachtet Die Grundwasserabsenkung wurde etwa ab dem 10,05,2010 bis

zum 29.05,2010 beobachtet, z.T, (BK 08/15) auch nur bis zum 21.05,2010, Danach verblieb der

Grundwasserspiegel in den meisten GWM's auf dem niedrigen Niveau. In diesem Zeitraum wurde

ein kontinuierliches Absinken um bis zu ca, 10 cm bis 15 cm festgestellt Die Messwerte wurden

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Projekt: 28.2288 Seite 74 11.01.2012

automatisch aufgezeichnet und sind luftdruckkompensiert. Eine Darstellung aller Messwerte findet

sich in Anlage 10. Die größten Absenkbeträge wurden in diesem Zeitraum nahe der EZB in der

GWM SO 1 B 96 mit ca. 35 cm festgestellt, was ggf. auf ein anlaufen der Grundwasserhaltung für

die Baugrube der EZB hindeuten könnte. Nach Osten kann eine langsame Abnahme festgestellt

werden. Am Westende des Danziger Platzes wurde in der BK 08/05 noch eine Absenkung von ca.

13 cm gemessen. In der östlichsten gemessenen Messstelle (BK 08/15) wurde noch eine Absen

kung von ca. 5 cm beobachtet. Diese Messstelle liegt von der Baugrube der EZB ca. 1.250 m ent

fernt. Auch die quartären Messstellen zeigten entsprechende Absenkung (BK 08/07 = 7,4 cm).

Großräumig ist somit von einer Verbindung des quartären und tertiären Grundwasserleiters

auszugehen. Bei einer lang andauernden Grundwasserhaltung ist nach diesen Beobach

tungen von einer erheblichen Reichweite auszugehen!

Die Reichweiten der Absenkungen liegen rein rechnerisch in einer Größenordnung zwischen ca.

10 bis 500 Meter in der quartären Überlagerung (i.W. Schicht 1.4) und zwischen ca. 50 und 350

Meter im den grauen Cerithien (Schicht 11.5a). Dies deckt sich im Wesentlichen auch mit den

Messwerten an den Beobachtungsmessstellen während der Pumpversuche. Diese Werte wurden

aus den Daten der Absenkung und der ermittelten krWerte nach der Formel von SICHARDT ge

bildet. Diese theoretischen Werte decken sich mit den Beobachtungen aus den benachbarten Pe

geln, die während der Pump- und Wiederanstiegsphase gemessen wurden.

Die qualitative Auswertung der WD-Tests in Tabelle 4.4-1 zeigt relativ deutlich, dass in den grauen

Cerithien (Schicht 11.5a) insbesondere mit Wasserzutritten über Klüfte zu rechnen ist. Durch Erosi

on von Kluftfüllungen können die Wassermengen bei langer Pumpdauer durchaus auch ansteigen.

Außerdem ist durch die Erosion mit einem Transport von Feinteilen zu rechnen. Die Brunnen und

Filter der Brunnen sind darauf auszulegen. Die grünen Cerithien (Schicht 11.5b) hingegen sind als

weitgehend homogener Grundwassergeringleiter anzusehen. Einzelne Klüfte führen scheinbar

nicht zu weitreichenden Wasserwegsamkeiten.

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6.4 Bergmännische Bauweise

Das Stations bauwerk kann grundsätzlich in offener Bauweise oder bergmännisch hergestellt wer

den. Die Entscheidung hierüber ist sowohl auf der Basis von bautechnischen und wirtschaftlichen

Gesichtspunkten zu fällen als auch von der Zugänglichkeit abhängig, dies insbesondere unter Be

rücksichtigung der geplanten Überbauung eines Teils des Danziger Platzes mit einem Bürohaus

durch einen Investor.

Für eine Ausführung des Stationsbauwerks in bergmännischer Bauweise sind die Hinweise und

Empfehlungen für die Tunnelstrecke zu beachten. Zunächst sind bei einer bergmännischen Bau

weise der Station die Tunnelröhren aufzufahren. Diese können sowohl maschinell als auch in

Spitzbetonbauweise aufgefahren werden.

Bei der Spitzbetonbauweise kann im Bereich des Bahnsteigs ein einheitlich großer Hohlraum, als

unterteilter Vortrieb, aufgefahren werden. Beim maschinellen Vortrieb sind zunächst zwei Tunnel

röhren mit dem vorgesehenen Durchmesser der Tunnelstrecke aufzufahren, die dann mit der

Spitzbetonbauweise im Bereich der Bahnsteige aufzuweiten sind.

6.5 Offene Bauweise I Baugrube

Die Aushubsohle (UK Filterschicht = 74,8 / 76,05 m NHN) des Stationsbauwerks liegt in den grau

en Cerithien (Schicht 11.5a) ca. 6,0 - 12,5 m über der OK der grünen Cerithien (Schicht 11.5b). Der

geringste Abstand ergibt sich an der Süd-Ost-Ecke, der größte Abstand an der Nord-West-Ecke

der Station.

Bei einer Errichtung der Station in offener Bauweise kann das Bauwerk entweder im Schutze einer

Grundwasserabsenkung oder in einer wasserdruckhaltenden Baugrube erstellt werden. Bei einer

Grundwasserabsenkung ist das Grundwasser bis mindestens 0,5 munter Aushubsohle abzusen

ken. Es ist mit einer vergleichsweise hohen Grundwasser-Fördermenge zu rechnen.

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Projekt: 28.2288 Seite 76 11.01.2012

Für die Baugrube wird aufgrund der zumindestens im Nahbereich von Bebauung und von Infrast

rukturwegen erforderlichen Verformungsbeschränkung der Ansatz der erhöhten aktiven Erddrucks

(eh = 0,5 x eo + 0,5 x eah) empfohlen. Im Bereich ohne Bebauung oder gefährdeten Verkehrswege,

Leitungen im Einflussbereich der Baugrube, kann grundsätzlich der aktive Erddruck angesetzt

werden. Es ist aber darauf zu achten, dass der Verbauwand auch eine entsprechende Verfor

mungsmöglichkeit gegeben wird. Bei einer ausgesteiften Baugrube ist dies i. d. R. nicht gegeben.

Insbesondere dann nicht, wenn die Steifenkräfte so ausgelegt werden, dass die Verformungsbe

schränkungen auf einer Seite der Baugrube aufgrund anstehender Bebauung eingehalten werden.

Es ist dann in der Regel auch auf der gegenüberliegenden Baugrubenseite ein erhöhter aktiver

Erddruck anzusetzen. I.d.R. ist davon auszugehen, dass vor Aktivierung des aktiven Erddruckes

eine Kopfverformung des Verbaus von ca. 1 % der freien Höhe erforderlich ist. Zusätzlich ist bei

wasserdichten Verbauwänden der Wasserdruck anzusetzen. Zur Verminderung des effektiven

Wasserdrucks auf die Verbauwand kann die Einbindetiefe unter der Baugrube begrenzt werden

und die einströmende Restwassermenge in der Baugrube gefasst und abgeleitet werden (teilwas

serdichter Verbau) oder eine lokale Entspannung / Absenkung des Wasserdrucks hinter der Ver

bauwand mittels Entspannungsbrunnen erfolgen. Es ist dann nur der verbleibende Wasserdruck

anzusetzen.

Bei Ausführung einer wasserdruckhaltenden Baugrube sind zum einen die Verbauwände wasser

dicht auszuführen (Spundwände, überschnittene Bohrpfahlwände, Schlitzwände) und zum anderen

die Baugrubensohle wasserdicht auszubilden. Die Sohlabdichtung kann grundsätzlich entweder

durch eine tiefliegende Injektionssohle, eine hochliegende und rückverankerte Injektionssohle oder

eine rückverankerte Unterwasserbetonsohle erfolgen. Grundsätzlich besteht aber auch die Mög

lichkeit die Verbauwände bis in die grünen Cerithien zu führen und die natürliche Abdichtfunktion

dieser gering durchlässigen Schicht zu nutzen. Injektionssohlen wie z.B. Niederdruckinjektionen

mit Zementsuspensionen oder auch eine Weichgelinjektion sind aufgrund der heterogenen Ausbil

dung der Cerithienschichten und der damit verbundenen großen Durchlässigkeitsunterschiede

voraussichtlich technisch nicht sicher ausführbar und werden daher nicht empfohlen. In allen Va

rianten ist erfahrungsgemäß mit Restwassermengen von ca. 1 - 3 1/ s je 1.000 m2 benetzter Dicht

fläche zu rechnen.

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Der Einbau einer Düsenstrahlinjektionssohle ist in Kalkbänken, die in den grauen Cerithienschich

ten (11.5a) in allen Tiefenlagen und nicht horizontbeständig vorkommen, technisch kaum ausführ

bar. Die Baugrube kann aber grundsätzlich als Unterwasseraushub ausgehoben und mit einer Un

terwasserbetonsohle wasserdicht abgeschlossen werden. Aufgrund des anzunehmenden erhebli

chen Wasserdrucks von bis zu 19,1 m wird die Auftriebssicherheit der Betonsohle allein durch Ei

gengewicht nicht zu erreichen sein und eine (mindestens temporäre) Auftriebssicherung mittels

Zugpfählen / Mikropfählen (rückverankerte Sohle) erforderlich werden.

Als Verbauarten kommen grundsätzlich Spundwände oder massive Verbauarten, wie z.B. Schlitz

wände oder Bohrpfahlwände in Frage. Für die Herstellung einer Baugrube im Schutze einer

Grundwasserabsenkung kann auch ein Baugrubenverbau mit Bohrträgerwänden erfolgen. Die

Träger können aufgrund der Festigkeit der Cerithienschichten nicht gerammt werden, sondern sind

in Bohrlöcher einzustellen.

In den Auelehmen (Schicht 1.2b) ist mit einer mittelschweren Rammbarkeit, in den Mainterrassen

(Schicht 1.4) mit einer mittelschweren bis schweren Rammbarkeit zu rechnen. Die Cerithienschich

ten müssen aufgrund der eingelagerten Kalkbänke als nicht rammbar angesehen werden. Für den

Einsatz von Spundwänden ist daher von einem erheblichen Mehraufwand für Vorbohren (über

schnittenes Vorbohren) auszugehen.

Die Bewegung des Wandkopfes einer Spundwand oder einer Bohrträgerwand zur Baugrube hin

können bei mitteldicht bis dicht gelagerten nicht bindigen Böden oder bei mindestens steifen bindi

gen Böden 2 bis 5 % der freien Wandhöhe betragen. Die Horizontalverformungen massiver Ver

bauarten mit Aussteifungslagen können bis auf 1 - 2 %0 bezogen auf die freie Wand höhe begrenzt

werden.

Die bodenmechanischen Rechenwerte für die Standsicherheitsberechnungen des Baugruben

verbaus können Tabelle 3.2-1 entnommen werden. Für die Bemessung einer Verbauwand darf der

Wandreibungswinkel für Spundwände und Bohrpfahlwände höchstens mit /öaJp/ = 2/3 (jlk' angesetzt

werden, für Schlitzwände höchstens mit /Öa/p / = 1/2 (jlk"

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Für die Bemessung der Bohrpfahlwand können die charakteristischen Kennwerte gemäß Tabelle

6.5-1 angesetzt werden. Dabei ist die Gruppenwirkung der Pfahlreihe zu berücksichtigen. Für die

Mantelreibung darf daher nur die entsprechende Umhüllende der aktivierten Mantelfläche ange

setzt werden.

Schicht Schichtbezeichnung charakteristischer Pfahlspitzenwi- charakteristische

Nr. derstands qb,k Mantelreibung qSl,k

[kN/rn'] [kN/rn2)

1.4 Mainterrasse - 105

11.5 Cerithienschichten s/D - 0,02 950 65

s/D = 0,03 1.200

s/D = 0,10 1.600

Tabelle 6.5-1 : Charakteristische Kennwerte für Bohrpfähle

Zur Ermittlung der maßgebenden Biegemomente aus horizontaler Belastung der BOhrpfahlwand

kann für die Cerithienschichten unterhalb der Baugrubensohle von den charakteristischen Bet

tungsmoduli gemäß Tabelle 6.5-2 ausgegangen werden.

Tiefe unter Baugrubensohle charakteristischer Bettungsrnoduli ks,k

[MN/rn']

0-3m 0- 100 (linear zunehmend)

>3m 100

Kalkbänke 1.000

Tabelle 6.5-2: Charakteristische Bettungsmoduli für BOhrpfähle in den Cerith ienschichten

Voraussichtlich ist eine mehrlagige Rückverankerung oder Aussteifung erforderlich . Für eine

Rückverankerung der Verbauwand können Verpressanker verwendet werden. Die Verpressstre

cken sollen in den Sanden und Kiesen der Mainterrassen (Schicht 1.4) oder den Cerithienschichten

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(Schicht 11.5) liegen. In den bindigen Auelehmen (Schicht 1.2b) und in den heterogen zusammen

gesetzten Auffüllungen (Schicht 1.1) dürfen keine Verpressstrecken angeordnet werden.

In den Mainterassen (Schicht 1.4) kann nach Ostermayer bei mindestens mitteldichter Lagerung

eine charakteristische Mantelreibung gemäß Tabelle 6.5-3 angesetzt werden. Für die Cerithien

schichten (Schicht 11.5) kann aufgrund des stark wechselnden Schichtaufbaus nur ein unterer

Grenzwert der Tragfähigkeit angegeben werden. Es wird allerdings empfohlen den Herausziehwi

derstand mittels Grundsatzprüfungen festzulegen und dann entsprechend der Prüfergebnisse an

zusetzen.

Für die Bemessung von Ankern können die charakteristischen Werte der Mantelreibung gemäß

Tabelle 6.5-3 angesetzt werden.

Zur wirtschaftlichen Auslegung der Verpressanker wird empfohlen, Untersuchungsprüfungen ge

mäß DIN EN 1537 auszuführen. Jeder Bauwerksanker ist einer Abnahmeprüfung zu unterziehen.

Die Regelungen insbesondere der DIN 1054 und DIN EN 1537 sind zu beachten.

Schicht charakteristische Mantelreibung qM.k

[kN/m"]

Mainterrasse (Schicht 1.4) 300

Hydrobienschichten (Schicht 11.3)

Inflatenschichten (Schicht 11.4) 100 ' ) (150 _ 200 2»

Cerithienschichten (Schicht 11.5) 1) unterer Grenzwert 2) mit doppeltem Nachverpressen

Tabelle 6.5-3: Charakteristische Mantelreibung für Verpressanker

Eine Unterwasserbetonsohle muss zur (bauzeitigen) Gewährleistung der Auftriebssicherheit

rückverankert werden. Es wird eine Rückverankerung über Mikropfähle empfohlen. Die Mikro-

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pfähle können i. d. R. erst nach Aushub der Baugrube vom schwimmenden Ponton aus abgeteuft

und hergestellt werden.

Die für die Rückverankerung gegen Auftriebs empfohlenen Mikropfähle in der Unterwasserbeton

sohle liegen voraussichtlich vollständig in den Cerithienschichten (Schicht 11.5). Unter Berücksichti

gung der Erfahrungswerte der DIN 1054 und der EA Pfähle sowie den Ergebnissen der Laborver

suche, kann für verpresste Mikropfähle eine charakteristische Pfahlmantelreibung Qs1.k= 120 kN/m2

in den Cerithienschichten zugelassen werden. Auch für die Mikropfähle wird die Ausführung einer

Untersuchungsprüfung empfohlen. Es wird erwartet, dass eine höhere als die o. g. Mantelreibung

nachgewiesen werden kann.

Beim Unterwasseraushub sind die ab etwa 10m unter GOF zu erwartenden harten Kalkbänke der

Cerithienschichten zu berücksichtigen. Aufgrund der großen Tiefe der Baugrube können diese

vermutlich aus gerätetechnischen Gründen nicht mehr mit Meisseleinsatz oder Fräseinsatz gelöst

werden. Es sind daher voraussichtlich Lockerungssprengungen unter Wasser erforderlich.

Bei einer entsprechenden Einbindung wasserdichter Baugrubenwände in die grünen Cerithien

schichten (Schicht II.5b) unterhalb der Aushubsohle ist aufgrund der überkonsolidierten Tone von

einer stark reduzierten vertikalen Durchlässigkeit auszugehen. Es ist dann, eine hinreichende Ein

bindung vorausgesetzt, die auch eine ausreichende Sicherheit gegen hydraulischen Grundbruch

gewährleistet, keine Sohlabdichtung erforderlich. Es ist dann nur eine Restwasserhaltung in der

Filterschicht zu betreiben.

Die Errichtung der Baugrube mit wasserdichten Verbauwänden aber ohne horizontale Sohlabdich

tung, dafür aber mit Entspannungsbrunnen zur Beherrschung des Wasserdrucks stellt eine weitere

technisch aufwendige, außergewöhnliche Lösung zur Realisierung der Baugrube dar. Im Frankfur

ter Stadtgebiet wurde ein solches Baugrubenkonzept z. B. für die Baugrube des Hochhauses Galli

leo bereits umgesetzt.

Das Baugrubenkonzept wasserdichter Verbau mit Entspannungsbrunnen besteht aus den

nachfolgend aufgeführten Elementen:

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Projekt: 28.2288 Seite 81 11.01.2012

• wasserdichter, vertikaler Baugrubenverbau;

• vergleichsweise gering durchlässige Schicht (bezogen auf die vertikale Durchlässigkeit) unter

der Baugrubensohle;

• Entspannungsbrunnen in der Baugrube, sowie bei Erfordernis auch außerhalb der Baugrube

zur Verminderung des Wasserdrucks auf die Verbauwand.

Die Entspannungsbrunnen werden als verfilterte Brunnen ausgeführt. Das Wasser tritt drucklos auf

Höhe der Baugrubensohle (BGS) bzw. auf Höhe der Filterschicht aus. Es ist somit keine Pumpe im

Brunnen erforderlich. Das austretendes Wasser wird am Brunnenkopf in Draingräben oder einem

Flächenfilter gefasst, gesammelt und aus der Baugrube gehoben. Es wird empfohlen die Entspan

nungsbrunnen im Sinne eines Havariekonzeptes so auszuführen, dass sie notfalls bepumpt wer

den können (entsprechender Durchmesser, etc.).

Folgende Effekte lassen sich für das Konzept erkennen:

• da die Brunnen wesentlich durchlässiger als der Baugrund sind, tritt im Tiefenbereich der Fil

terstrecke kein Strömungsdruck im Baugrund auf (ausschließlich Strömung im Brunnen). Eine

Strömung kann in der Baugrube nur zwischen den Brunnen entstehen. Dadurch wird die Ge

fahr eines hydraulischen Grundbruchs im Bereich der Baugrube deutlich gesenkt;

• es besteht lokal am Danziger Platz keine direkte Verbindung zwischen Baugrube und den hoch

durchlässigen Terrassensanden/-kiesen (Schicht 1.4) und somit wird keine große Absenkung

im quartären, oberen Grundwasserleiter erwartet;

• da die vertikale Durchlässigkeit der Cerithienschichten (Schicht 11.5) deutlich kleiner als die der

Terrassensedimente (Schicht 1.4) ist, tritt die Strömung im Wesentlichen nur in den Cerithien

schichten auf;

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Projekt: 28.2288 Seite 82 11.01.2012

• aufgrund flacher Neigung des Schichtenfalls kann nur eine begrenzte Wassermenge in den ho

rizontalen Sandlagen einströmen, dieses Wasser muss dann aber durch die bindigen Lagen

vertikal in die Baugrube und zu den Entspannungsbrunnen gelangen. Somit wird nur ein deut

lich verminderter Wasserandrang erwartet;

• da die Terrassensedimente (Schicht 1.4) deutlich stärker durchlässig sind als die vertikale

Durchlässigkeit der Cerithienschichten (Schicht 11.5) (Unterschied größer 1 Zehnerpotenz), wird

in den Terrassensedimenten nur eine geringe Absenkung f Beeinflussung auftreten; die Gefahr

des Herbeiziehens von Kontaminationen ist gering.

Für eine Abschätzung der Effekte, der auftretenden Wasserdrücke und der zu fördernden Was

sermenge wurde 2D-Finite-Elemente-Berechnungen für das Baugrubenkonzept mit wasserdich

ten Verbauwänden und innenliegenden Entspannungsbrunnen sowie außenliegenden schräg in

den Cerithien angeordneten Entspannungslanzen ausgeführt (Anlage 8.1 - 8.8). Zusätzlich wur

den 3D-Finite-Element-Berechnungen ausgeführt, um den Wasserdruck auf die Verbauwand

auch in der Mitte zwischen zwei Entspannungslanzen zu ermitteln (Anlagen 8.0 - 8.18). Die 2-D

Berechnungen wurden, auf der sicheren Seite liegend, zur Abschätzung der Wassermenge ver

wendet. Aus den 3-D-Berechnungen sind die auf die Verbauwand anzusetzenden Wasserdrücke

für einen Schnitt durch die Brunnen und einen Schnitt in der Mitte zwischen den Brunnen zu ent

nehmen.

Die nachfolgenden Randparameter der Baugrube wurden dabei für die Baugrube angesetzt:

• GOF:

• BG5:

100 m NHN

75,4 m NHN

• UK Filterschicht:74,8 m NHN

• Verbauwand: Bohrpfahlwand oder Schlitzwand Primärelemente mit UK auf 70,40 m NHN

• Breite der Baugrube: ca. 24 m

• Fußpunkt der innenliegenden Entspannungsbrunnen: 68,40 m NHN

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Projekt: 28.2288 Seite 83 11.01.2012

• Bemessungswasserstand im Bauzustand: 94,50 m NHN

Von der Verbauwand werden in der Modellrechnung nur die kürzeren Primärelementen berück

sichtigt. Es ist davon auszugehen, dass unterhalb der Primärelemente bei einer Öffnung der Ver

bauwand um annähernd 50 % auf der sicheren Seite liegend kein Einfluss der längeren Sekundär

elemente mehr gegeben ist.

Eine Verlängerung der Primärelemente würde die in die Baugrube einströmende Wassermenge

verringern, aber zu einer Erhöhung des Wasserdrucks auf die Verbauwand führen. Insofern ist hier

ein wirtschaftliches Optimum im weiteren Planungsprozess zu finden.

Für die Berechnungen wurde der obere quartäre Grundwasserleiter (Auffüllungen - Schicht 1.1,

Auesedimente - Schicht 1.2 und Sande und Kiese der Mainterrasse - Schicht 1.4) zu einem einheit

lichen Grundwasserleiter zusammengefasst. Das darunter anstehende Schichtpaket der grauen

Cerithien (Schicht 1I.5a) wurde für die Berechnungen ebenfalls zu einem (weiteren) Schichtpaket

mit einheitlichen Eigenschaften zusammengefasst. In Realität sind die Cerithienschichten aber aus

deutlich unterschiedlich durchlässigen Schichtpaketen aufgebaut. Im Wesentlichen setzen sich die

Cerithienschichten aus Tonen und Schluffen, Sanden (Kalksanden) und z. T. verkarsteten Kalk

steinbänken zusammen. Für die Berechnung wurden die im Zuge der aktuellen Erkundungsphase

ermittelten vergleichsweise hohen Durchlässigkeiten für das gesamte Schichtpaket angesetzt. Die

grünen Cerithien (Schicht II.5b) wurden ebenfalls zu einem Schichtpaket zusammengefasst und

wurden entsprechend den Erkundungsergebnissen der 2. EKP mit einer deutlich geringeren

Durchlässigkeit als die grauen Cerithien angesetzt.

EntspreChend dem Einfallen insbesondere der Schicht II.5b wurden zwei geologische Bereiche

modelliert. Zum einen die Nord-Ost-Ecke der Baugrube mit einer OK der grünen, undurchlässige

ren Cerithien bei ca. 69,6 m NHN und zum anderen die Süd-West-Ecke der Baugrube mit einer OK

der grünen, undurchlässigeren Cerithien bei ca. 62,3 m NHN.

Es wurden für die beiden geologischen Baugrundmodelle jeweils 2 hydrogeologische Bau

grundmodelle untersucht. Mit dem hydrogeologischen Modell 1 wird vertikal eine geringere

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Projekt: 28.2288 Seite 84 11.01.2012

Durchlässigkeit als horizontal modelliert, was den hydrogeologischen Eigenschaften der überkon

solidierten Tonschichten entspricht. Mit dem hydrogeologischen Modell 2 wird vertikal und horizon

tal die sei be Durchlässigkeit innerhalb der einzelnen Bodenschichten abgebildet. Es ist insoweit als

worst-case-Szenario innerhalb der Bodenschichten anzusehen. Die angesetzten Durchlässigkeiten

sind in Tabelle 6.5-4 zusammengestellt.

Schicht hydrogeol. Modell 1 hydrogeol. Modell 2

Terrasse kh - kv = 10'0 mfs kh = kv - 10'0 mfs

graue Cerithien kh - lO,b mfs, kv = 10'0 mfs kh - kv = lO'b mfs

grüne Cerithien kh - 5 X 10'7 mfs, kv - 5 x 10'0 mfs kh = kv - 5 x 10'7 mfs

Tabelle 6.5-4: Ansatz der Durchlässigkeiten in den hydrogeologischen Modellen

Die wesentlichen Berechnungsergebnisse werden in der Tabelle 6.5-5 zusammengefasst.

max. Wasser-hydrogeologisches Wasseranfall

Baugrundmodell druck Modell [11 (m Baugrube x h)J

[kN/m"]

Süd-West-Ecke 1

tief liegende Schicht 1I.5b (anisotroper Bau- 76 262

Schnitt im Brunnen grund)

Süd-West-Ecke 1

tief liegende Schicht 11.5b (anisotroper Bau- 77

Schnitt zwischen Brunnen grund)

Süd-West-Ecke 2

tief liegende Schicht 11.5b 93 1.077

Schnitt im Brunnen (isotroper Baugrund)

Süd-West-Ecke 2

tief liegende Schicht 11.5b 97

Schnitt zwischen Brunnen (isotroper Baugrund)

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Projekt: 28.2288 Seite 85 11.01 .2012

max. Wasser-hydrogeologisches Wasseranfall

Baugrundmodell druck Modell [11 (m Baugrube x h)]

[kN/m2]

Nord-Ost-Ecke 1

hoch liegende Schicht 11.5b (anisotroper Bau- 84 197

Schnitt im Brunnen grund)

Nord-Ost-Ecke 1

hoch liegende Schicht 11.5b (anisotroper Bau- 86

Schnitt zwischen Brunnen grund)

Nord-Ost-Ecke 2

hoch liegende Schicht 1I.5b 105 724

Schnitt im Brunnen (isotroper Baugrund)

Nord-Ost-Ecke 2

hoch liegende Schicht 11.5b 108

Schnitt zwischen Brunnen (isotroper Baugrund)

Tabelle 6.5-5: Zusammenfassung der Berechnungsergebnisse

Bei den in Tabelle 6.5-5 angegebenen Wassermengen handelt es sich um rechnerische Wasser

mengen auf Basis der abgeschätzten Durchlässigkeiten aus den Pumpversuchen . Die WO-Tests

haben gezeigt, dass mit Erosion von Kluftfüllungen in den grauen Cerithien (Schicht 11.5a) zu rech

nen ist. Daher kann es zu einem Ansteigen der Wassermenge und der Durchlässigkeit über die

Zeit kommen. Die Förderanlagen sind daher auf eine höhere Förderleistung (empfohlener Sicher

heitsaufschlag: Faktor 2) auszulegen.

Ein Nachweis gegen hydraulischen Grundbruch unter der Baugrube wurde geführt. Durch die

innenliegenden Entspannungsbrunnen, die unter den Fußpunkt der Verbauwand reichen, sowie

die außenliegenden Entspannungslanzen, findet nur ein geringer Potenzialabbau unter der Bau

grubensohle statt, so dass der Nachweis gegen hydraulischen Grundbruch für alle Fälle erbracht

werden kann .

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Die Berechnungen zeigen, dass eine wirksame Reduzierung des Wasserdrucks auf die Verbau

wand mit den geplanten außenliegenden Entspannungsbrunnen möglich ist. Es ist sicherzustellen,

dass kein hydraulischer Kontakt zu einer höher durchlässigen Schicht besteht. Ein Verringerung

des Wasserdrucks auf die Verbauwand geht allerdings immer mit einer entsprechenden zu för

dernden Wassermenge einher und damit auch mit einer Beeinflussungen des Grundwasserspie

gels und somit ggf. auch der Bebauung und der Umwelt (Absenktrichter). Da die Grundwasserent

spannung aber in dem tertiären Grundwasserleiter vorgesehen ist und eine lokale Kopplung des

tertiären und des quartären Grundwasserleiters mit der vorliegenden Erkundung ausgeschlossen

werden konnte, wird sich der Einfluss der Grundwasserentspannung auf die Bebauung kaum be

merkbar machen. Der Grundwasserspiegel, der die Bebauung unmittelbar betrifft, ist der obere,

quartäre Grundwasserspiegel, der nach den Ergebnissen der hydrogeologischen Beobachtungen

der 2. EKP durch die Maßnahmen vergleichsweise gering beeinträchtigt wird.

Es wird darauf hingewiesen, dass eine hinreichende Überdeckung des Kopfs der außenliegenden

Entspannungsbrunnen in den Cerithien zu den stark Wasser führenden Terrassensanden vorhan

den sein muss. Wir empfehlen daher auf jeden Fall einen Mindestabstand von 5 m zwischen UK

erkundete Terrasse und OK Entspannungsbrunnen / Entspannungslanze.

7. BAUWERKS- UND BAUGRUNDINTERAKTIONEN

7.1 Einfluss des Tunnelvortriebes auf die Tagesoberfläche

Durch den bergmännischen Vortrieb erfährt die Tagesoberfläche je nach Gebirge, Tunneldurch

messer, Überdeckung und Vortriebsverfahren mehr oder weniger große Senkungen. Deren Ursa

chen und Verlauf werden nachstehend beschrieben. Als wesentliche Ursachen kommen in Be

tracht

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• Primäre Bodensenkungen durch Bodenentzug an der Ortsbrust sowie durch Entspannung

des Bodens an der Ortsbrust infolge unzureichender Stützung und gegebenenfalls im noch

nicht ausreichend gesicherten Bereich im unmittelbaren Anschluss an die Ortsbrust.

• Setzungen durch Grundwasserabsenkung über die Ortsbrust oder ggf. auch durch die erfor

derliche Entspannung des Druckspiegels, falls die Aufbruchsicherheit wegen zu geringer

Mächtigkeit des bindigen Bodens nicht ausreicht.

Senkungen können darüber hinaus durch Gefügeumlagerungen z.B. infolge Kurvenfahrten beim

maschinellen Tunnelvortrieb, aufgrund von Schwingungen die durch das Vortriebsverfahren er

zeugt werden (z.B. Lockerungssprengungen), durch Schildverformungen und durch eine unzurei

chende Stützung der Hohlraumleibung entstehen. Bei Schildvortrieben können darüber hinaus

Senkungen durch eine zu späte oder insgesamt unzureichende Füllung des Ringspaltes auftreten.

Aus der Bergschadenskunde und aus zahlreichen Untersuchungen nach [U 20], [U 18] und [U 19]

sowie aus praktischer Erfahrung ist bekannt, dass sich beim unterirdischen Tunnelvortrieb im Fest

wie im Lockergestein in axialer und in diametraler Richtung eine Senkungsmulde einstellt. Bei

homogenen Verhältnissen besitzt diese Senkungsmulde in diametraler Richtung annähernd die

Form einer Gaußkurve; dabei tritt die maximale Senkung über der Tunnelachse auf; zu den Seiten

läuft die Senkung auf Null aus.

Durch die beschriebene Form der Senkungsmulde ergibt sich in dem betroffenen Bereich nach

Abb. 7.1-1 nicht nur eine vertikale, sondern auch eine zum Muldentiefsten gerichtete laterale Ver

schiebung des Überlagerungsbodens. Aus der Kombination von vertikaler und horizontaler Boden

bewegung ergeben sich bei einer Tunnelröhre zwischen Trogmitte und Wendepunkten Pressun

gen, zwischen den Wendepunkten und der Außenkante der Senkungsmulde Zerrungen. Durch die

Form der Senkungsmulde ergeben sich die maximalen Schiefstellungen im Bereich des größten

Gefälles, d. h. im Bereich der Wendepunkte. Je nach Lage eines Bauwerks innerhalb der Sen

kungsmulde ergibt sich eine Muldenlagerung zwischen Trogmitte und Wendepunkt oder eine Sat

tellagerung. Es kann z.B. bei großen Gebäuden ein und dasselbe Gebäude teils in Muldenlage,

teils in Sattellage liegen.

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Im Unterschied zu den in DIN 4019 behandelten Setzungen treten die durch den Tunnelbau indu

zierten Bauwerksverformungen nicht nach der Konsolidationstheorie bzw. durch die Zusammen

drückung des Bodens aufgrund der Auflast, sondern durch Bodenentzug auf. Ein weiterer Unter

schied ist, dass sich nach der Setzungstheorie Setzungen durch vertikale Bodenbewegungen er

geben, während der durch den Tunnelbau induzierte BOdenentzug - wie beschrieben - sowohl zu

vertikalen, als auch zu den bereits angeführten horizontalen Bodenbewegungen führt.

Bei Herstellung einer zweiten Tunnelröhre in einem Abstand von weniger als der halben Breite

des Senkungstroges überlagern sich die Einflüsse der beiden Vortriebe. Bei entsprechend enger

Lage addieren sich die Senkungsbeträge. Es sind dabei je nach lichtem Abstand der Röhren Sen

kungen bis zu den doppelten Größen zu erwarten. Bei dicht gelagerten Böden können sich noch

größere Werte ergeben, wenn das Gebirge beim Durchgang des ersten Vortriebs entsprechend

aufgelockert wird. Durch moderne Maschinentechnik können die Setzungen auch geringer ausfal

len.

Der räumliche Verlauf der Verformungen ist direkt mit dem Stand des Vortriebs verknüpft. In [U 27]

wird an einem mit Finiten Elementen berechneten Beispiel der Anteil der dem Vortrieb vorauslau

fenden und nachlaufenden Vertikalverschiebung bei einem ungesicherten Vortrieb angegeben. Die

Werte, die als Anhalt für eine Vorbemessung herangezogen werden können, zeigen, dass bereits

zwischen ca. 20 und 30 % der Querschnittsverformungen (im Querschnitt somit nicht messbar)

und ein entsprechender Anteil von Vertikalverformungen an der Geländeoberfläche auftreten bevor

der Vortrieb die jeweilige Stationierung bzw. den betrachteten Querschnitt erreicht. Erste Verfor

mungen stellen sich demnach bereits ca. eine halbe bis eine Querschnittsbreite vor Erreichen der

jeweiligen Stationierung bzw. vor Erreichen des betrachteten Querschnitts ein. Wenn der Vortrieb

ca. 2 Querschnittsbreiten an der jeweiligen Stationierung bzw. dem betrachteten Querschnitt vor

bei gefahren ist, sind die Verformungen nach [U 27] nahezu vollständig abgeklungen.

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Projekt: 28.2288

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Seite 89

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Verschiebungen

11.01.2012

Abb. 7.1-1: Einwirkungen des tiefen Bergbaus auf die GOK bei flacher Lagerung [U 21]

Wegen des damit verbundenen Aufwandes sollte im derzeitigen Planungsstand eine Abschätzung

auf der Basis von Näherungsformel erfolgen. Eine genauere FE-Berechnungen zur Abschätzung

von Bodensenkungen sollte dann bei genauerer Kenntnis des Baugrundaufbaus und der stati

schen Konstruktion der Gebäude erfolgen. Beim vorliegenden Kenntnis- und Planungsstand reicht

eine Abschätzung z.B. nach [U 20] aus. Nach [U 20] liegt das auf die Querschnittsfläche bezogene

Senkungsvolumen ohne "Ausreißer" zwischen 0,6 und 4,3 %. Bei der Bewertung der angegebenen

Zahlen ist jedoch zu berücksichtigen, dass es sich bei den dort verarbeiteten Erfahrungen um

klassische Schildmethoden handelt, die etwa zwischen 1950 und 1960 zum Einsatz gekommen

sind.

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Die bei einer bauzeitlichen Grundwasserhaltung zu erwartenden Setzungen der Geländeoberflä

che I Gebäude durch den Wegfall des Auftriebs und die bekannten Auswirkungen auf bindige Bö

den werden im Zentimeterbereich erwartet. Insbesondere relevant sind hier die Auelehmschichten

(Schicht 1.2b). Die bindigen Einlagerungen in den Cerithien-, Inflaten- und Hydrobienschichten wei

sen, da sie überkonsolidiert vorliegen, ein deutlich geringeres Setzungspotential auf. Die Folgen

für die im Stadtgebiet getätigten Wasserentnahmen und die Vegetation sind darüber hinaus eben

falls abzuschätzen.

7.2 Beurteilungskriterien für Oberflächensenkungen

Durch die Unterfahrung und die damit im Zusammenhang stehenden Senkungen können an den

Gebäuden Schiefstellungen, Zerrungen und Pressungen auftreten. Dabei sind die Bauwerksver

formungen in der Regel kleiner als die Bodensenkungen. Maßgebend sind hierbei die Steifigkeit

der Gebäude sowie die Frage, ob es sich um Eck-, Teil- oder Vollunterfahrungen bzw. um recht

winkelige oder schiefwinkelige Unterfahrungen handelt. Bei schiefwinkeligen Unterfahrungen erlei

den die Gebäude zusätzlich Verdrehungen.

Grundsätzlich kann von den in Tabelle 7.2-1 aufgelisteten Erfahrungswerten ausgegangen wer

den. Danach liegt die Grenze für erste Risse in tragenden Wänden für Muldenlagen bei Winkelver

drehungen von ca. 1 : 300, für Sattellagen bei 1 : 600. Erfahrungsgemäß treten Risse bei Sattella

gerungen durch die geringe Zugfestigkeit üblicher Konstruktionen nämlich schon bei halb so gro

ßen Winkelverdrehungen wie bei Muldenlagerungen auf.

Die Wahl mehr auf der sicheren Seite liegender Grenzwerte würde zu unwirtschaftlichen Siche

rungsmaßnahmen führen, da die Beseitigung nicht bestandsgefährdender Risseschäden in der

Regel wesentlich günstiger ist als eine vorauseilende Sicherung etwa durch aktive Soilcretekissen.

Die Bedeutung der Schäden für ein Gebäude lässt sich nach ihrem Einfluss auf das Tragwerk bzw.

auf seine Standsicherheit klassifizieren. Architektonische Schäden liegen vor, wenn diese ohne

Einfluss auf die Standsicherheit des Gebäudes sind und auch dessen Gebrauchsfähigkeit nicht

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beeinträchtigen. Im Regelfall handelt es sich um Haarrisse in nichttragenden Teilen. leichte Schief

steilungen, unter Umständen auch klemmende Türen und Fenster. Architektonische Schäden sind

erfahrungsgemäß nicht vermeidbar; sie sind kostengünstig mit handwerklichen Methoden zu be

heben.

Winkelverdrehung Krümmungsradius

Beurteilungskriterium - [mI

Sattel Mulde Sattel Mulde

Sicherheitsgrenze zur Vermeidung jeg-1 / 1.000 1/500 2.500 1.250

licher Risse

Grenze für erste Risse in tragenden 1 / 600 1 /300 900 450

Wänden

Schadensgrenze allgemein, erhebliche 1 / 300 1 / 150 220 110

Risse in tragenden Wänden

Tabelle 7.2-1: Schadensgrenzen

In der Tabelle 7.2-1 sind sie unterhalb der Grenze für Risse in tragenden Wänden einzuordnen.

Statisch-konstruktive Schäden führen zur Gefährdung der Standsicherheit und / oder zur Ver

minderung der Gebrauchsfähigkeit; sie sind bei Verformungen oberhalb der Grenze für erste Risse

in tragenden Wänden (Bauteilen) zu erwarten. Statisch-konstruktive Schäden müssen durch ent

sprechende technische Maßnahmen vermieden werden .

Die obengenannten Kriterien gelten für Hochbauten. Gefährdet sind darüber hinaus grundsätzl ich

alle Leitungen und Kanäle. Bei gemauerten Kanälen können Setzungsdifferenzen zu Rissbildun

gen und nachfolgend zu Undichtigkeiten führen. Daraus können Gefahren für das Grundwasser

resultieren. Kanäle aus einzelnen Rohrschüssen sind in der Regel relativ unempfindlich gegen

Setzungsdifferenzen, solange die Muffen geschlossen bleiben und Undichtigkeiten nicht eintreten .

Allerdings können auch hier Zwängungen zu Schäden führen .

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Projekt: 28.2288 Seite 92 11.01.2012

Empfindlich sind dagegen Rohrleitungen aus Gusseisen oder Gussstahl, die üblicherweise Gas

oder Wasser transportieren und auf Setzungsunterschiede mit Bruch reagieren können. Empfind

lich sind dabei insbesondere auch Hausanschlüsse. Grenzwerte sind bei den Leitungseigentümem

zu erfragen. Ggf. sind die Leitungen im gefährdeten Bereich freizulegen oder umzulegen. Kanäle

sind in die Beweissicherung mit einzubeziehen.

Gefährdet sind darüber hinaus die im Baubereich liegenden oder den Baubereich querenden

Schienenwege (Straßenbahn) und Straßen. Durch Senkungsdifferenzen herbeigeführte Uneben

heiten können zu Verkehrsgefährdungen führen.

7.3 Bebauung und Verkehrswege im Einflussbereich der Trasse

Nach den bisherigen Kenntnissen ist die Bebauung oberhalb des Tunnels im Sinne der DIN 1054

weitestgehend als setzungsempfindlich einzuschätzen. Inwieweit die betroffenen Gebäude in der

Lage sind, die mit den Senkungen verbundenen Zerrungen / Pressungen aufzunehmen, ist durch

eine gesonderte Untersuchungen (Hausgutachten) zu entscheiden. Von dieser Frage hängt ab,

inwieweit vorauseilende oder baubegleitende Maßnahmen erforderlich sein werden. Aus dieser

Einschätzung erst ergibt sich die Notwendigkeit entsprechender Sicherungsmaßnahmen.

Verkehrsflächen werden grundsätzlich als wenig empfindlich eingestuft. Es handelt sich bei den

betroffenen Verkehrswegen sämtlich um innerstädtische Straßen mit einer Höchstgeschwindigkeit

von 50 km/ho Senkungen im Zentimeterbereich werden dort nicht zu Verkehrsgefährdungen füh

ren. Besonders zu beachten sind allerdings Fahrleitungs- und Beleuchtungsmaste und die zugehö

rigen Gleisanlagen (Straßenbahn auf der Hanauer Landstraße), deren Standsicherheit bzw. Ge

brauchstüchtigkeit bereits bei geringen Schiefstellungen beeinträchtigt sein kann.

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7.4 Dynamische Einflüsse

Infolge des Zugverkehrs werden die Tunnelröhren durch kurzzeitige und unregelmäßige Lastein

tragung dynamisch angeregt. Die dadurch erzeugten Schwingungen können folgende Auswirkun

gen auf das Grundbauwerk haben:

• Primäre Setzungen (Einrütteln),

• Sekundäre Setzungen an der Geländeoberfläche während des Betriebes infolge Verdichtung

im Bereich der Tunnelsohle und Auflockerung im Firstbereich.

Aus den o. g. Ausführungen ergibt sich die Notwendigkeit einer Untersuchung der dynamischen

Stabilität (Einrüttelgefahr) der an das Tunnelbauwerk angrenzenden Böden. Die dynamische Stabi

lität ist vorwiegend von folgenden Einflussfaktoren abhängig:

• Lagerungsdichte bzw. Konsistenz der belasteten Böden,

• Grad der dynamischen Belastung (Schwinggeschwindigkeit, Schwingwegamplitude).

Insgesamt lässt der gegenwärtige Kenntnisstand über das Verhalten bindiger Böden bei dynami

scher Beanspruchung folgende Feststellungen zu:

• Die Abhängigkeit des dynamischen Elastizitätsmoduls von dem Porenanteil und dem Wasser

gehalt ist deutlich ausgeprägt;

• Es tritt eine starke Systemdämpfung infolge Energietransport durch das Porenwasser auf;

• Es erfolgt dagegen praktisch keine Dämpfung durch Kornumlagerungen;

• Bei einem "Aufweichen" des Bodens treten Veränderungen der Schwingungsparameter ein.

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Projekt: 28.2288 Seite 94 11.01.2012

Aufgrund der unter der Verkehrslast auftretenden statischen und dynamischen Beanspruchungen

kann es bei bindigen Böden (z B. Schicht 1.2b), insbesondere bei Wassersättigung, durch Walker

scheinungen zu einem Aufweichen bzw. seitlichem Aufweichen des Bodens kommen.

Bezüglich einer generellen Bewertung der dynamischen Stabilität der im Trassenbereich anste

henden bindigen Böden kann im Rahmen der Entwurfsplanung vereinfachend vorausgesetzt wer

den, dass die dynamische Stabilität der Böden bei nachfolgend genannten Kriterien gefährdet ist:

• Konsistenzzahl

• Sättigungszahl

• Glühverlust

le < 0,75 (weniger als steif),

Sr;" 0,9,

Vg1 > 5 %.

Bei den bindigen Böden der Tone und Schluffe der Hydrobienschichten, Inflatenschichten und Ce

rithienschichten liegt die Konsistenzzahl i.d.R. über 0,75; die Sättigung ist hier aufgrund der Lage

unter dem Grundwasserspiegel aber grundsätzlich> 0,9 anzunehmen. Der Glühverlust ist in den

Schichten 11.3 bis 11.5 gering. Insgesamt ist für diese Schichten daher eher von günstigen Verhält

nissen und damit von einer geringen Gefährdung durch dynamische Einwirkungen auszugehen. In

den Auelehmen (Schicht 1.2b) kann die Konsistenz lokal weich oder breiig sein, sodass dann Zu

satzmaßnahmen erforderlich werden. Im Bereich der aufsteigenden Tunnelröhre zwischen der Sta

tion Frankfurt lOst und dem östlichen Tunnelende reichen die Auelehmschichten bis in die Tiefen

lage der Tunnelröhren. In diesem Bereich werden voraussichtlich Zusatzmaßnahmen erforderlich.

7.5 Beeinflussung des Grundwassers

Für einen konventionellen Spritzbetonvortrieb ohne Zusatzmaßnahmen zur Trockenlegung des

Vortriebs, wird eine dauerhafte, ggf. abschnittsweise vortriebsbegleitende Absenkung des Grund

wasserspiegels erforderlich. Es entsteht somit eine großräumige bauzeitliche Beeinflussung des

natürlichen Grundwasserspiegels (vgl. Kap. 4).

Bei einem Schildvortrieb erfolgt keine planmäßige Absenkung des Grundwasserspiegels. Grund

wasserabsenkungen können zur Minderung des Risikos bei den An- und Ausfahrvorgängen und in

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Projekt: 28.2288 Seite 95 11.01.2012

Havariefällen kurzfristig und kurzzeitig dennoch erforderlich werden. Auch bei einem Spritzbeton

vortrieb mit Druckluft ist die Beeinflussung des Grundwasserspiegels als gering zu bewerten.

Beim Schild vortrieb tritt ggf. ein Kontakt zwischen der Stützflüssigkeit (Bentonit), dem Verpressma

terial für die Ringspaltverpressung und dem Grundwasser auf. Die Umweltverträglichkeit der be

treffenden Stoffe ist vor dem Einsatz nachzuweisen. Es muss aber auch bei der Spritzbetonbau

weise davon ausgegangen werden, dass durch Sickerwasser bauzeitlich eine betontypische Be

einflussung des Grundwasserchemismus eintritt.

Durch die bergmännischen Abschnitte wird ein Teil des jeweiligen Aquifers dauerhaft abgesperrt.

Je größer der Anteil der Absperrung durch die beiden Tunnelröhren, sowie durch die Station an

der durchströmten Fläche des Grundwasserleiters, desto stärker nehmen Aufstau und Sunk zu.

Zu diesem Themenkomplex wurden bereits in [U 24] entsprechende Voruntersuchungen ausge

führt. Desweiteren wurde durch ein nummerisches Grundwassermodell [U 32] der Aufstau und

Sunk im Bereich der geplanten Tunnelstrecke und der Station abgeschätzt. Aufgrund der geringen

hydraulischen Gradienten und des geringen Eintauchens der bergmännische erstellten Tunnelab

schnitte in die grundwasserleitenden Schichten nehmen Aufstau und Sunk relativ geringe Beträge

an. Im Bereich der Bahntunnel werden Aufstau und Sunk 5 cm voraussichtlich nicht überschrei

ten. Für die Station Frankfurt/Main-Ost kann ein Aufstau von über 50 cm als unwahrscheinlich

angesehen werden. Der Bereich, in dem der Aufstau um die Station herum oberhalb von 10 cm

liegt, sollte auf einen Umkreis von etwa 300 m beschränkt bleiben. Weiterhin wird ein Monitoring

für die Kontrolle der Setzungen der sich Abstrom der geplanten S-Bahn-Station befindlichen Glei

se der Schnellbahnstrecke Frankfurt - Fulda empfohlen. Aufgrund der geringen Werte für Aufstau

und Sunk sind bauliche Maßnahmen zur Gewährleistung einer Umströmung der geplanten Bau

werke nicht erforderlich.

7.6 Gründung der Station Frankfurt/Main - Ost I Danziger Platz

In der Gründungseben stehen die stark inhomogenen Schichten der grauen Cerithien (Schicht

11.5a) an. Es wurden über die Station verteilt sowohl Kalkbänke als auch Tone und Kalksande an-

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getroffen. Es ist daher von stark inhomogenen Gründungsverhältnissen auszugehen. Die angetrof

fenen Bodenschichten stellen trotzdem einen Baugrund einer mittleren bis hohen Tragfähigkeit

dar. Die Lasten aus dem Stationsbauwerk werden insgesamt keine große Lasterhöhung gegenü

ber der Vorbelastung durch den derzeit anstehenden Baugrund darstellen. Die derzeitige effektive

Belastung kann mit ca. 5,5 m (Höhe über Grundwasser) x 19 kN/m3 (mittlere Wichte des Bau

grunds) + 18,0 m (Höhe unter GW) x 9 kN/m3 (mittlere Wichte des Baugrunds unter Auftrieb) =

266 kN/m2 abgeschätzt werden. Die Gründung des Stationsbauwerks kann daher über eine last

verteilende Bodenplatte erfolgen. Unter der Bodenplatte ist zur Lastverteilung und zum Ausgleich

inhomogener Baugrundeigenschaften eine mindestens 0,5 m starke Schotteraustauschschicht /

Filterschicht einzubauen. Wenn die Baugrube mit einer Unterwasserbetonsahle errichtet wird, ist

die statisch wirksame Gründungsplatte auf die Unterwasserbetonsahle (Mindeststärke = 0,5 m)

aufzulegen.

Für eine Plattengründung auf einer Schotteraustauschschicht bzw. auf einer Unterwasserbeton

sahle in den Cerithienschichten kann für Vorentwurfszwecke ein Bettungsmodul von ks,k =

25 MN/m3 angesetzt werden. Der Bettungsmodul ist keine Bodenkenngröße, sondern insbesonde

re von den Bauwerksabmessungen und der Laststellung abhängig. Insofern handelt es sich bei

o.g. Bettungsmodul um einen aus den erwarteten Lasten abgeleiteten Wert der im Zuge der Pla

nung zu überprüfen ist. Wenn die Station bergmännisch aufgefahren wird, ist die Gründung im

Rahmen der Tunnelstatik nachzuweisen.

8. EMPFEHLUNGEN

8.1 Trasse und Gradiente

Aus geotechnischer Sicht ergibt sich hinsichtlich der grundsätzlichen Trassenführung beim derzei

tigen Planungsstand kein offensichtlicher Optimierungsbedarf.

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8.2 Vortriebsverfahren

Unter den vorstehend beschriebenen geotechnischen Randbedingungen wird die Auffahrung der

bergmännischen Abschnitte mit einem geschlossenen Schild oder mit Hilfe eines konventionellen

Vortriebs mit Druckluftstützung empfohlen. Der Schild muss entsprechende Möglichkeiten zur

Bergung von Hindernissen, zur vorauseilenden Gebirgsvergütung und zur Vorfelderkundung besit-

zen.

Als Vorteile für einen Schildvortrieb sind insbesondere die vergleichsweise einfache Beherrschung

des Grundwasserandrangs, sowie die hohe Vortriebsleistung zu nennen. Die Baustelleneinrichtung

und Einrichtung der Maschine wird voraussichtlich am astende der Tunnelstrecke zu platzieren

sein. Entsprechend ergibt sich ein Vortrieb in Richtung Frankfurt-Innenstadt. Die Anschlagwand

kann dann bei ca. km 54+245 liegen. Die Bergung der Maschine muss über einen Schacht in der

Nähe der Grünen Straße erfolgen. Vorteil des Vortriebs in diese Richtung ist auch der dann einfa

che Massentransport ab dem Tunnelende an der Ostparkstraße, der somit nicht durch die Innen

stadt (Hanauer Landstraße) geführt werden muss. Der Anschluss der beiden Tunnelröhren an die

Bestandsröhren wird voraussichtlich in Spritzbetonbauweise erfolgen müssen.

Im Fall des maschinellen Tunnelvortriebs wird empfohlen, zunächst beide Tunnelröhren durch die

spätere Station FrankfurtlMain - Ost vorzutreiben und anschließend die Station herzustellen. Dazu

können im Stations bereich ggf. leichte Tübbinge verwendet werden, die nur für einen bauzeitlichen

Lastfall bemessen werden. Ggf. können auch wiederverwendbare Stahltübbinge eingesetzt wer

den.

Vorauslaufend muss im Falle eines maschinellen Vortriebs die Vorsorgemaßnahme im Bereich der

Unterfahrung der U-Bahn gemäß den Ausführungen in Kapitel 5.6 rückgebaut werden.

Die Spritzbetonbauweise ist die in Frankfurt am Main am häufigsten eingesetzte und bewährte

Bauweise für die innerstädtischen U- und S-Bahn-Linien.

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Für den Fall der Auffahrung des Tunnels in Spritzbetonbauweise ist in der weiteren Planung insbe

sondere die Frage des Umgangs mit dem Grundwasser zu klären. Hier ist insbesondere eine Ab

stimmung mit der UWB der Stadt Frankfurt vorzunehmen.

Es werden beide Vortriebsverfahren für ausführbar gehalten, die endgültige Entscheidung für eine

Vortriebsart sollte im Rahmen einer Machbarkeitsstudie im weiteren Planungsverlauf in Abstim

mung mit dem Planer getroffen werden.

8.3 Station Frankfurt/Main - Ost I Danziger Platz

8.3.1 Baugrube

Bei einer Grundwasserabsenkung wird sich ein erheblicher Absenktrichter einstellen. Hierzu wird

auf die Erfahrungen beim Bau der U-Bahn-Station am Danziger Platz hingewiesen. Der Absenk

trichter hat seinerzeit den Ostparkweiher erfasst. Insoweit wird mit erheblichen Auswirkungen einer

Grundwasserabsenkung gerechnet und kann daher nicht empfohlen werden. Bei einem wasser

dichten Verbau und einer Unterwasserbetonsohle ist neben technisch beherrschbaren Faktoren

(Unterwasseraushub von Kalkbänken mittels Meisseln oder Sprengen, Schotteinteilung der Bau

grube, etc.) insbesondere der Aspekt der Bauzeit zu berücksichtigen. Nach Angabe des Planers ist

der zeitliche Aufwand der Erstellung der Stationsbaugrube mit Unterwasserbetonsohle, die weitge

hend vor Aufbau der Tunnelbohrmaschine abgeschlossen sein muss, mit dem aktuellen Gesamt

terminplan nicht vereinbar.

Nach den detaillierten Erkenntnissen der 2. EKP stehen unter der Baugrubensohle (6,0 - 12, 5 m

unter Aushubsohle) durchgängig die geringdurchlässigen grünen Cerithien (Schicht II.5b) an. Aus

geotechnischer Sicht ist eine Einbindung des wasserdichten Verbaus in diese Schicht möglich und

damit der Verzicht einer horizontalen bauzeitlichen Sohlabdichtung. Bei einer hinreichenden Ein

bindung der Verbauwände in die grünen Cerithien, so dass die Sicherheit gegen hydraulischen

Grundbruch gewährleistet wird, kann dann auf eine Wasserhaltung über Brunnen in der Baugrube

verzichtet werden. Eine Restwasserhaltung in der Filterschicht erscheint dann ausreichend. Es

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wird empfohlen diese Ausführungsvariante durch den Planer bautechnologisch und wirtschaftlich

prüfen zu lassen.

Es wird empfohlen, die Station Frankfurt Main - Ost in offener Baugrube zu errichten. Hierzu ist ei

ne ca. 24,5 m tiefe Baugrube zu erstellen. Die Verbauwände sind als wasserdichte Verbauwände

entweder mit überschnittenen Bohrpfählen oder mit Schlitzwänden zu erstellen. Eine Rückveranke

rung oder Aussteifung der Baugrube ist vorzusehen. Zur Beherrschung des Grundwassers werden

außen liegende Entspannungsbrunnen empfohlen. Zur Gewährleistung einer trockenen Baugrube

sind zusätzlich innen liegende Entspannungsbrunnen anzuordnen oder die Verbauwände bis in die

gering durchlässigen grünen Cerithien (Schicht II.5b) herabzuführen.

Aufgrund von nicht vermeidbaren Verformungen der Baugrubenwand kann es theoretisch entlang

der Verbauwand zu einem Spalt und somit zu einer hydraulischen Verbindnug des quartären und

tertiären Grundwasserleiters kommen. Dadurch würden sich die zu fördernden Wassermengen er

heblich erhöhen. Wenn nicht nachgewiesen werden kann, dass die Verformungen klein genug sind

und daher eine hydraulische Wasserwegsamkeit entlang der Verbauwand ausgeschlossen werden

kann, sind in der Verbauwand Nachverpressmöglichkeiten (Injektionsschläuche) vorzusehen, mit

denen im Bedarfsfall eine Wasserwegsamkeit unterbunden f verpresst werden kann.

Es wird empfohlen alle Grundwasserentspannungsbrunnen im Sinne eines Havariekonzepts als

bepumpbare Brunnen auszulegen. Hierzu sind die Brunnen mit entsprechenden Durchmessern

und entsprechendem Ausbau auszuführen. Die Brunnenköpfe müssen bis zu Erreichung der Auf

triebssicherheit des Stationsbauwerks zugänglich sein.

8.3.2 Gründung

Es wird empfohlen, die Station auf einer Gründungsplatte auf einem SChotterpolster f Filterschicht

(d ;;, 0,5 m) bzw. auf der Unterwasserbetonsohle zu gründen. Das Schotterpolsetr bzw. die Filter

schicht müssen filterstabil gegenüber den anstehenden Baugrund sein, insbesondere den anste-

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henden Tonen. Zur Gewährleistung der Filterstabilität wird empfohlen ein Geotextil unter die Filter

schicht einzubauen.

8.3.3 Restwasserhaltung l Abdichtung

Unterhalb des Bemessungswasserspiegels ist das Bauwerk gegen drückendes Wasser abzudich

ten ("Weiße Wanne"). Diese Abdichtungen bzw. der WU-Beton sind mind. 0,3 m über Gelände

hochzuziehen.

Es wird darauf hingewiesen, dass wasserdichter Beton (WU-Beton) zwar undurchlässig für Wasser

in flüssiger Zustandsform, nicht jedoch diffusionsdicht für Wasserdampf ist. Je nach den Anforde

rungen an die Untergeschossräume (geringe Luftfeuchtigkeit bei hochwertiger Nutzung) sind bei

Verwendung von WU-Beton zusätzliche Maßnahmen zur Trockenhaltung (z. B. Diffusionssperren,

Klimatisierung) erforderlich.

8.3.4 Sonstige Empfehlungen

Aufgrund der komplizierten geotechnischen und hydrogeologischen Verhältnisse und aufgrund der

Abmessungen und Tiefe der Baugrube wird die Baumaßnahme in die geotechnische Kategorie GK

3 nach DIN 1054 eingeordnet. Die Herstellung der Baugrube und des Stationsbauwerks ist mess

technisch zu Überwachen. Es ist eine geotechnische Fachbauleitung vorzusehen.

Es wird darauf hingewiesen, dass die Aue-Hochflutlehme (Schicht 1.2) bei Wassersättigung und

Lagerungsstörung (z. B. dynamische Belastung durch Baufahrzeuge ) aufweichen können und von

Bodenklasse 4 in Bodenklasse 2 übergehen können.

Vor Herstellung der Bodenplatte ist die Gründungssohle nach DIN 1054, Abs. 7.2.1 durch uns zu

begutachten und abzunehmen. Bei der Erstellung von Bohrpfählen ist die Bohrpfahlsohle durch

uns abzunehmen.

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Für den Tunnelvortrieb ist eine geologisch I geotechnische Begleitung während der gesamten Vor

triebsarbeiten von Seiten des Bauherren einzurichten. Die geotechnische Baubegleitung über

nimmt die fortlaufende Tunnelkartierung und legt mit dem Bauausführenden die Ausbauklassen

fest.

Bei Abweichungen der angetroffenen Bodenverhältnisse von den in diesem Gutachten beschrie

benen sind wir umgehend zu benachrichtigen.

Für die angrenzende bestehende Bebauung und für die wahrscheinlich im Nahbereich der Bau

maßnahme vorhandenen Leitungen I Kanäle sowie die Verkehrsflächen ist eine Beweissicherung

vor dem Beginn und nach Abschluss der Baumaßnahme erforderlich.

8.4 Sicherung von Gebäuden, Leitungen und Kanälen

Zur Abschätzung der zu erwartenden Senkungen wird für die weitere Vorplanung das Verfahren

nach PECK [U 20] empfohlen. Bei der Bewertung der vorstehend zitierten Erfahrungen ist zu be

achten, dass es sich bei den angegebenen Senkungen um Einzelvortriebe handelt. Für den in

Frankfurt möglichen Doppelvortrieb müssen sich deshalb allein aus dieser Tatsache deutlich höhe

re Senkungen ergeben.

Anzuerkennen ist allerdings, dass durch entsprechende Fortschritte der Maschinentechnik, insbe

sondere der Ortsbruststützung und durch Fortschritte bei der Verpressung des Ringspaltes, mo

derne Schilde bei Einzelvortrieben im Regelfall Bodensenkungen unter 20 mm erreichen. Es ist üb

lich, eine entsprechende Begrenzung für den Einzelvortrieb in der Ausschreibung vorzugeben. In

wieweit diese jedoch tatsächlich erreichbar sind, hängt im Wesentlichen von der Qualität der Aus

führung ab und führt bei Überschreitung zu schwierigen vertraglichen Auseinandersetzungen über

die Zuordnung zu den verschiedenen Risikosphären.

Die zu erwartenden Senkungen an der Geländeoberfläche, die sich im Rahmen eines Vortriebs in

Spritzbetonbauweise einstellen werden, können in der aktuellen Planungsphase mit einem äquiva-

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lenten Verfahren abgeschätzt werden. Die Größenordnung der Senkungen liegt bei einem Spritz

betonvortrieb naturgemäß höher und hängt noch stärker von der Qualität der Ausführung ab.

Wegen der empfindlichen Bebauung im Frankfurter Stadtgebiet empfehlen wir, die nach PECK und

anderen Verfahren berechneten Senkungsmulden der Entscheidung zugrunde zu legen, welche

Gebäude gesichert werden müssen. Im Falle des aktiven Verfahrens sind die entsprechenden Ge

bäude mit Injektionsschirmen auszurüsten und messtechnisch zu überwachen. Werden kritische

Werte erreicht, so sind die erforderlichen Maßnahmen ohne Stillstand des Vortriebs auszuführen.

Die Injektionsschirme erfüllen quasi die Funktion einer Versicherung.

Über die Ausführungen in Kapitel 7 hinaus wird eine gesonderte Untersuchung zum Bebauungs

bestand empfohlen. Nach dieser gesonderten Untersuchung (Hausgutachten) können für die in der

Senkungsmulde liegenden Gebäude passive oder aktive Sicherungsmaßnahmen empfohlen wer

den. Die Untersuchung sollte sich auch mit der Sicherheit der im Senkungstrog liegenden Leitun

gen und Kanäle befassen. Nach diesem Bericht wird ein Teil der Leitungen und Kanäle zu ertüch

tigen sein, ein Teil zu erneuern und ein Teil umzulegen. Hausanschlüsse sind ggf. mit Kompensa

toren auszustatten.

8.5 Sicherung von Verkehrswegen

Eine vorauseilende Sicherung von Verkehrswegen ist voraussichtlich nicht erforderlich. Die Ver

kehrswege sind durch Feinnivellement während der Ausführung zu überwachen. Schienengebun

dene Verkehrswege sind ggf. durch Stopfen nachzurichten. Schäden an Straßen durch Senkungen

und Unebenheiten sind ggf. während der Ausführung provisorisch und nach Abschluss der Bau

maßnahme durch Deckenerneuerung endgültig zu reparieren.

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8.6 Messprogramm

Durch Grundwassermessstellen entlang der Trasse ist der Grundwasserspiegel während der

Baumaßnahmen zu überwachen. Dabei sollten zumindest die 100 m vor dem Vortrieb und 200 m

hinter dem Vortrieb liegenden Grundwassermessstellen, möglichst aber alle, mit automatischen

Schreibern ausgerüstet werden. Im Bereich der Station wird empfohlen, dass Messstellennetz der

Grundwassermessstellen vor Beginn der Baumaßnahme ca. 100 m rund um die Station auszu

bauen.

Zusätzliche Grundwassermessstellen sind vor und hinter den kritischen Gebäuden zu setzen und

zu überwachen, die im oben angeführten Einflussbereich der Tunnelmaßnahme liegen. Ferner ist

die Grundwasserchemie auf der An- und Abstromseite zu überwachen. Vor Beginn der Baumaß

nahme ist das Messstellennetz im kritischen Trassenbereich sowie ca. 100 m links bzw. rechts der

Trasse auf ca. 200 m Abstand und im gering gefährdeten Bereich auf ca. 300 m auszubauen. Im

weiter entfernten Bereich sind einzelne Kontrollpegel zu empfehlen.

Vor Beginn und ca. 1 Jahr nach Beendigung der Baumaßnahme sind monatliche Grundwasser

messungen einschließlich deren Auswertung notwendig. Während der Bauarbeiten sind im An

schluss an die Baustelle im Umkreis von ca. 200 m alle zur Verfügung stehenden GWM wöchent

lich zu kontrollieren. Bei besonderen Vorkommnissen, wie Wassereinbrüchen, Ausfall von Pum

pen, Starkniederschlägen etc. ist das Messintervall auf 1 Tag zu verkürzen.

Vor Beginn der Arbeiten ist zur Kontrolle des Grundwassers ein entsprechendes Grundwasser

management einzurichten, welches die ordnungsgemäße Überwachung des Schutzgutes Wasser

sowie die Auswertung und Weiterleitung der Ergebnisse an die betreffenden Stellen (Planer, Um

weltamt, AG, Bauleitung etc.) sicherstellt.

Kurz vor Beginn der Baumaßnahme sind repräsentative Wasserproben analytisch zu untersuchen.

Es sind Vollanalysen unter Einschluss aller Parameter der Trinkwasserschutzverordnung sowie al

ler in den Voruntersuchungen auffälligen Stoffe durchzuführen. Der genaue Umfang der Beweissi

cherung ist im Zuge der weiteren Planung unter Abstimmung mit der UWB festzulegen.

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Projekt: 28.2288 Seite 104 11.01.2012

Zur Überwachung der Oberflächenverformungen sind entlang der Verkehrswege und an der im

Einflussbereich des Tunnelvortriebs liegenden Bebauung Feinnivellements durchzuführen. Die Er

gebnisse sind zu Setzungskarten zusammenzufügen. Die Messintervalle sind im Zuge der Ent

wurfsplanung festzulegen. Zusätzlich sind im Rahmen der Baumaßnahme von der Oberfläche aus

im unmittelbaren Einflussbereich des Vortriebs Inklinometer und Extensometer zu setzen.

Zur Überwachung der Baugrubenverformungen im Bereich der Station werden auf jeder Seite der

Baugrube 3 Inklinometer und an den Kopfseiten je 1 Inklinometer empfohlen, die bis mindestens

unter die UK der Sekundärelemente geführt werden müssen. Oberflächenverformungen sind ent

lang der Verkehrswege und an der im Einflussbereich der Stationsbaugrube liegenden Bebauung

Feinnivellements durchzuführen. Die Ergebnisse sind zu Setzungskarten zusammenzufügen. Die

Messintervalle sind im Zuge der Entwurfsplanung festzulegen.

Zur Überwachung der Grundwasserentspannung und der damit vebundenen Wasserdruckreduzie

rung im Bereich der Station sind an mindestens 4 Stellen an der Baugrube in der Mitte zwischen

zwei außen liegenden Entspannungslanzen Wasserdruckmessstellen vor der Verbauwand an

zuordnen. Mit den Wasserdruckmessstellen (Standrohre oder Wasserdruckgeber) ist in mindes

tens 5 Tiefen der sich einstellende Wasserdruck zu kontrollieren und mit den Soll-Werten der Bau

grubenauslegung (statischen Berechnung) zu vergleichen. Die Messungen sind mindestens 1 x

täglich auszuführen. Es ist ein Alarm- und Maßnahmenplan aufzustellen.

Die Gebäude und die Nachbarbebauung sowie die Leitungen und Kanäle sind während der

Baumaßnahme messtechnischen zu überwachen (Schlauchwaagen etc.).

Für die Gesamtmaßnahme Tunnel + Station ist aufgrund des hohen geotechnischen Schwierig

keitsgrads ein Mess- und Überwachungskonzepl aufzustellen.

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8.7 Beweissicherung

Vorlaufend ist mindestens an den innerhalb der Setzungsmulde liegenden Gebäuden eine Be

weissicherung durchzuführen. Die Beweissicherung muss durch einen in der Beweissicherung von

Tunnelbaumaßnahmen erfahrenen Sachverständigen erfolgen, ein Sachverständiger für Schäden

an Gebäuden ist üblicherweise mit dieser Art und Ursache der Schäden nicht erfahren. Bei der

Beweissicherung sind sämtliche Bauschäden, insbesondere Risse und Feuchtigkeitsschäden so

wie Schiefstellungen zu erfassen. Die Ergebnisse müssen fotografisch dokumentiert werden. Bei

den Fassaden empfiehlt sich ggf. eine fotogrammetrische Aufnahme.

Der Zustand der Verkehrsflächen ist ebenfalls im Zuge der oben angegebenen Beweissicherung

durch engständige Nivellements und durch Fotografien zu erfassen. Schienengebundene Ver

kehrswege und Kanäle / Rohrleitungen sind ebenfalls nivellitisch festzulegen.

Die Grundwassersituation ist großräumig durch Überwachen der vorhandenen Pegel bis über

das Bauende hinaus - bis zur Wiederherstellung des ursprünglichen Zustands - fortzusetzen. Zu

sätzlich sind zur Überwachung kleinräumlicher Grundwasserbewegungen im Einflussbereich des

Tunnels möglichst weit vor Baubeginn zusätzliche Pegel vor und hinter evtl. gefährdeten Gebäu

den zu berücksichtigen bzw. zu setzen.

8.8 Nutzung geothermischer Energie

Die innerstädtische Lage des Tunnels der Nordmainischen S-Bahn und die geotechnischen Rand

bedingungen ermöglichen aus unserer Sicht eine Nutzung der geothermischen Energie z.B. für die

Beheizung und Kühlung der Station Frankfurt/Main - Ost. Entsprechend positive Erfahrungen wur

den im Rahmen des Baus der U-Bahn Linie U2/2 in Wien gemacht, an denen der Linksunterzeich

ner beteiligt war. Bei dieser Maßnahme wird die Station Taborstraße vollständig mit geothermi

scher Energie versorgt.

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Die Nutzung der geothermischen Energie kann neben wirtschaftlichen Gesichtspunkten auch im

Hinblick auf die Akzeptanz bei der Bevölkerung positive Auswirkungen auf das Gesamtprojekt und

die Darstellung der OB AG in der öffentlichen Wahrnehmung haben.

8.9 Kampfmittel

Das Frankfurter Stadtgebiet ist nach Auskunft des Kampfmittelräumdienstes des Landes Hessen

überwiegend als Bombenabwurfgebiet anzusehen. Vom Vorhandensein von Kampfmitteln auf sol

chen Flächen ist grundsätzlich auszugehen. Eine entsprechende Kampfmittelsuche ist erforderlich.

9. ZUSAMMENFASSUNG

Aufgrund von Archivunterlagen und den ausgeführten umfangreichen Untersuchungen wurde für

die Tunnelstrecke der geplanten Nordmainische S-Bahn der grundsätzliche Baugrundaufbau be

schrieben und entsprechende Kennwertspannen für die maßgebenden Bodenarten angeben.

Gleichzeitig wurden Angaben zu den Grundwasserverhältnissen getroffen.

Aufbauend auf die geotechnischen Verhältnisse wurde eine Vorauswahl von möglichen Vortriebs

verfahren getroffen und entsprechende bautechnische und tunnelbautechnische Empfehlungen

gegeben. Es wurde aufgezeigt, welche Untersuchungen für einen innerstädtischen Tunnelvortrieb

maßgebend sind (z.B. Untersuchungen zur Grundwasserbeeinflussung und zum Gebäudebestand,

etc.) und in den weiteren Planungsphasen erarbeitet werden müssen.

Im Rahmen von weiteren Untersuchungen (Hausgutachten, Nutzung geothermischer Energie) und

im Rahmen der Entscheidung zum Vortriebsverfahren (maschinell! konventionell) in Zusammen

arbeit mit dem Planer sind die Grundlagen Geotechnik und Hydrogeologie im weiteren Planungs

verlauf zu präzisieren.

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Für Rückfragen stehen wir Ihnen jederzeit gerne zur Verfügung

(Geschäftsführer)

i.v.

Dr.-Ing . Gerd Festag

(Projektleiter)

11 .01 .2012

Verteiler: - OB ProjektBau GmbH, Frau Platen, Frankfurt am Main, 3 x, davon 1 x digital als

CD-ROM

- Dr. Spang GmbH, Witten, 1 x

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