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Technisch--wirtschaftlicher Vergleich von ausgeführtenRohr-- und Spießschirmen am Beispiel des Tunnels Farchant

Univ. Prof. Dr.--Ing. K. Schikora, Dipl.--Ing. H. Bretz, Dipl.--Ing. B. Eierle

1 Einleitung

Um Farchant vom Durchgangsverkehr nach Garmisch--Partenkirchen (ca. 30000 Fahr-zeuge/ Tag) zu entlasten, wird die Bundesstraße B2 in einem 2370 m langen Doppeltun-nel um Farchant herumgeführt (Bild 1).

Nach langer Vorplanung, die bis in das Jahr 1971 zurückreicht, wurden die Arbeiten fürdie Ortsumgehung Farchant im Dezember 1994 ausgeschrieben und im September1995 vergeben. Die Gesamtbauzeit liegt bei ca. 5 Jahren. Die Baumaßnahme soll Mittedes Jahres 2000 fertiggestellt sein.

VoreinschnittSüd

VoreinschnittNordSüd--

Portal Nord--Portal

VerbauVerbau

bergmännisch 1780 m

Südportal

P

B

E

C D F D D C A

202 120 1008 470 46 137 107 290

EBP

L

L

Nordportal

Bild 1: Übersicht Längsschnitt

Etwa 1 km nördlich von Farchant unmittelbar nach Querung der Loisach taucht dieTrasse der B2 in den Tunnel ein, unterfährt in einem breiten Bogen mit einem Radius von1300 m den westlichen Ausläufer des Wank und mündet am Ortsende von Garmisch--

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Partenkirchen in die bestehenden Bundesstraßen wieder ein. Von hier führt zum einendie B2 nach Garmisch--Partenkirchen und Mittenwald und zum anderen die B23 überGrainau zum Fernpaß.

Die Ortsumgehung Farchant ist eines der privat vorfinanzierten Projekte der Bundesre-publik Deutschland. Die Kosten werden während der Bautätigkeiten von der ausführen-den ARGE zwischenfinanziert und nach Abnahme der Baumaßnahme in 15 Jahrebeträ-gen (Annuitäten) vom Auftraggeber inklusive Verzinsung zurückbezahlt.

Die Gesamtbaumaßnahme ist in 21 Lose aufgeteilt. Herzstück der Ortsumgehung Far-chant sind zwei parallele Tunnelröhren. Des weiteren sind umfangreiche Außenanlagenmit 9 Brükken inklusive einer Bahnverlegung auszuführen.

Aufgrund der unterschiedlichen geologischen Verhältnisse und Überdeckungen im Tun-nelbereich kommen bergmännische und offene Bauweisen zum Einsatz. Im Bereich dernördlichen und südlichen Voreinschnitte wird der Tunnel in offener Bauweise erstellt.Die nachträgliche Überschüttung beträgt 3 bis 6 m. Der bergmännische Vortrieb erfolgtim Süden ca. 120 m im Lockergestein (teilweise liegt die Strosse schon im Fels ), dannfolgen 1008 m Sprengvortrieb im Fels und weitere 470 m Vortrieb im Lockergestein biszur Pannenbucht Nord. Hier endet auch der Gegenvortrieb der von der AnschlagwandNord über eine kurze Strecke von 137 m im Lockergestein vorgetrieben wird.

2 Geologie und Vortriebskonzept

Das zu durchörternde Gebirge besteht aus einem Hauptdolomitkern des alpinen Trias,der von mächtigen Hangschuttflächen überdeckt ist. Im nördlichen Tunnelbereichtaucht der Hauptdolomit steil ab (Bild 2). Hier werden unter dem Hangschutt Fluß-- undStillwasserablagerungen angetroffen. Die Grenze zwischen Hangschutt und Stillwasse-rablagerungen liegt im Tunnelquerschnitt.

Der Vortrieb erfolgt in getrennten Kalotten-- und Strossenvortrieben. Der Ausbruchs-querschnitt im Normalprofil beträgt ca. 100 m2. Die Pannenbuchten und der befahrbareQuerschlag haben einen Ausbruchsquerschnitt von ca. 180 m2. Die begehbaren Quer-schläge sind auf ca. 25 m2 Ausbruchsfläche begrenzt.

Zur Vorerkundung des Gebirges wurde von der ausführenden ARGE ein Pilotstollen mit3,2 m Durchmesser vorgeschlagen und mit einer Hartgestein--Tunnelbohrmaschinevom Typ Robbins im Felsbereich der Weströhre von Süden her aufgefahren. Der Pilot-stollen erbrachte eine Reihe von Vorteilen:

S Geologische Vorerkundung und die damit verbundene Übertragung der gewonnenenErkenntnisse auf die nachfolgenden Ausbruch-- und Sicherungsarbeiten.

S Aufschlüsse über die zu erwartenden Bergwasserverhältnisse.

S Vorentwässerung beim späteren Vortrieb der Kalotte.

S Saugende Bewetterung.

S Geringerer Sprengmittelverbrauch.

S Geringere Sprengerschütterungen.

Der Pilotstollen sollte auch betriebliche Vorteile mit Zeiteinsparungen bringen. Diese Va-riante wurde jedoch nach weitergehenden Untersuchungen nicht ausgeführt.

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RohrschirmLockergestein und zerscherter Fels

Wechsellagerung aus kiesigenund feinsandigen Schichten

Hangschutt mit dünnen feinkörnigenLagen und zahlreichen Blöcken

zerrüttet Stark tektonisiert

zerschert

Pilotstollen

Lockergestein TM 45,50 Hauptdolomit TM 148,20

Übergangsbereich TM 1138,10

Lockergestein TM 1770,40

Hauptdolomit TM 399

0 148,2 399 616,3 1138,1 1770,4Tunnelmeter:

Dst

G,s,u’--u,x’

G,s,x,y

G,s,u,x--y

Auffüllung

Hangschutt, Moräne

Fluß-- und StillwasserablagerungenDolomit

Nordportal

Südportal

Bild 2: Geologische Situation

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3 Felsvortrieb im Hauptdolomit

Nach ca. 120 m Vortrieb befindet sich der Tunnel vollständig im Fels. Der anstehendeHauptdolomit besteht aus dem Mineral Dolomit mit Einlagerungen aus Ölschiefer,schiefrigen Tonen, Kalken und Mergeln.

Die Ortsaufnahmen (Bild 2) zeigen gefaltete, aufgeschobene, zerrüttete und zerscherteSchichten unterschiedlichster Einfallrichtungen, mit markanten Scher-- und Gleitbrü-chen, die zum Teil rekristallisiert oder breccienartig verheilt sind. Diese zerrütteten undzerscherten Zonen wechseln immer wieder mit Bereichen kleinklüftiger Struktur undWechsellagerungen aus braunem, grauem und bituminös schwarzem Hauptdolomit.

Die Ortsbrust ist in der Regel standfest und wenig nachbrüchig. Bei Schichtstreichen mitnur geringer Neigung im Firstbereich besteht die Gefahr der ”Sargdeckelbildung” (Her-ausbrechen von Brocken im Firstbereich). Gelegentlich wird leicht tropfendes oder rin-nendes Wasser an den Trennflächen angetroffen. Aufgrund der sich schnell und abruptändernden Gebirgseigenschaften wurde anstatt einer üblichen dünnen Spritzbetonsi-cherung mit Ankern, deren Anzahl und Anordnung ständig den zerrütteten und zer-scherten Zonen angepaßt werden müßte, eine Sicherung ausschließlich mit Spritzbe-ton (Kalotte 25 cm, Strosse 20 cm) ohne Anker gewählt. Lediglich imVerschneidungsbereich Pannenbuchtmitte und Querschlag--Betriebsgebäude wurdenAnker (Swellex L = 8 m) eingebaut.

Der Sprengvortrieb der Kalotte erfolgte je nach Felsqualität in 1,5 bis 2,5 m Abschlägen.Der Sprengmittelverbrauch betrug in der Oströhre 0,94 kg/m3 Fels und in der Weströhremit Pilotstollen 0,77 kg/m3 Fels. Der Vortrieb der beiden Kalotten unterschied sich darin,daß in der östlichen Tunnelröhre ein Einbruch gesprengt werden mußte, während imwestlichen Tunnel der vorab erstellte Pilotstollen als Einbruch genutzt werden konnte.

Der nachfolgende Strossenvortrieb konnte in 4 m Abschlägen stattfinden. Die Ab-schlagslänge war durch die geologischen Verhältnisse, die Bohrgeräte und Sprengtech-nik begrenzt.

4 Vortrieb im Übergangsbereich vom Festgestein zum Lockergestein

Der Übergang vom Fels zum Lockergestein und der damit verbundene Wechsel vomSpreng-- zum Lockergesteinsvortrieb birgt einige Risiken. Der Fels kann stark verwittertund tektonisiert sein. Der genaue Verlauf der Felsoberflächen ist unbekannt. Es könnenbei Tälern und Vertiefungen an der Felsoberfläche mindertragfähige Auffüllungen ange-fahren werden und zusätzlich muß an der Felsoberfläche mit ablaufendem Wasser ge-rechnet werden.

Um diesen Problemen aus dem Weg zu gehen, kam ein 15 m langer Injektionsrohr-schirm zum Einsatz (Bild 3). Dieser Rohrschirm wurde mit 5 m Überschneidung solangewiederholt, bis sich der gesamte Tunnelquerschnitt voll im Lockergestein befand unddurch Spionbohrungen die Gefahr eines ansteigenden Felshorizontes bis in den Tun-nelbereich ausgeschlossen werden konnte. Die Spionbohrungen wurden mit 8 m Längeim gesamten Übergangsbereich Fels-- und Lockergestein von der Kalotte aus erstelltund alle 3 m wiederholt.

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Querschnitt

Längsschnitt

10 m

Spritzbeton Manschettenrohre

15 m

Manschettenrohreφ 89mm, a = 1 ÷ 0.5m

5 Manschetten---rohre φ 89mm

a = 1m

5 Manschetten---rohre φ 89mm

a = 1m

Sägezahn

10 ÷ 19

Bild 3: Stahlrohrschirm mit und ohne Injektion

Um die Bohrungen für den ersten Rohrschirm ansetzen zu können, mußte eine 10 mlange Aufweitung in den Fels gesprengt werden. Von einem Spezialgerät mit extralan-ger Lafette wurden verrohrte Bohrungen mit einer Länge von 15 m, einem Abstand von1,0 m und einem Durchmesser von 114 mm unter einem Ausfallwinkel von 6 eingebaut.Das so erreichte ”Sägezahnprofil” hatte bei 10 m Tiefe gegenüber der normalen Aus-bruchlaibung eine maximale Überhöhung von 1,02 m. In die Bohrrohre wurden dannManschettenrohre mit einem Durchmesser von 89,9 mm eingeschoben und nach demZiehen der Bohrrohre in eine Mantelmischung eingebettet. Zuletzt folgte die Injektion mitZementbentonitsuspension über die Manschetten. Nachdem sich der gewünschte In-jektionserfolg nur teilweise einstellte (das Injektionsgut war wegen der lockeren Lage-rung in benachbarte Bodenschichten abgeflossen), ging man dazu über, einen Rohr-schirm ohne Injektion herzustellen. Bei diesem Rohrschirm wurde der Abstand der

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Rohre im Firstbereich auf 50 cm verringert, so daß 29 bis 30 Bohrungen pro Schirm er-forderlich wurden.

5 Betriebliche Abläufe des Vortriebes mit Rohrschirmsicherung

Die beiden Kalottenvortriebe im Festgestein liefen in der West-- und Oströhre parallel.Beide Vortriebe trafen nahezu gleichzeitig am Übergangsbereich Fels – Lockergesteinein. Da die Erstellung des Rohrschirmes von einer Spezialtiefbaufirma vorgenommenwurde, jedoch der Vortrieb unter dem Rohrschirm von der Vortriebsmannschaft derARGE ausgeführt werden sollte, mußte ein Wechselbetrieb eingerichtet und eine derzwei Vortriebsmannschaften abgezogen werden (Bild 4).

Woc

hen

1

2

3

4

5

6

7

8

50 m 60 m

Weströhre Oströhre

Rohrschirm herstellen

Injektion

Vortrieb

Sägezahnverfüllung

Vortriebsmannschaft 1 Vortriebsmannschaft 2

Bild 4 : Vortrieb Rohrschirm

Die beim Kalottenvortrieb verbleibende Mannschaft erbrachte wechselseitig den Vor-trieb in der West-- und in der Oströhre, der in jeweils 10 m langen Vortriebsabschnittenunter dem 15 m langen Rohrschirm ausgeführt wurde. Die Herstellung der injiziertenRohrschirme benötigte durchschnittlich ca. 4 AT und der Vortrieb im Schutz der Rohr-schirme dauerte ca. 2,5 AT. Die Kalottenmannschaft konnte in den Zwischenzeiten dieSpritzbetonverfüllung der Sägezähne vornehmen.

Das Herstellen der nicht injizierten Rohrschirme mit der doppelten Anzahl von Bohrun-gen jedoch ohne Injektionsmaßnahme und der anschließende Vortrieb waren ungefähr

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gleich schnell. Da die Rohrschirmerstellung und der Vortrieb Hand in Hand gehen muß-ten und eine Unterbrechung des Vortriebes eine zwangsläufige Unterbrechung derRohrschirmerstellung bedeutete, konnte hier das Verfüllen der Sägezähne erst nachBeendigung der Rohrschirme nachfolgen.

Dies bedeutet, daß die Vortriebsleistung unter dem injizierten Rohrschirm und unterdem nicht injizierten Rohrschirm inklusive Sägezahnverfüllung ungefähr gleich groß wa-ren, da kein kontinuierlicher Vortrieb vorgenommen werden konnte. Die Vortriebslei-stung im Übergangsbereich vom Fest-- in das Lockergestein im Schutze eines Rohr-schirmes mit oder ohne Injektion unter Miteinbeziehung des Wechselbetriebes und derSägezahnauffüllung betrug ca. 1,8 m/ AT.

6 Lockergesteinsvortrieb im nördlichen Bereich

Nach Verlassen des Übergangsbereichs durchörtert der Tunnel zwei quartäre Locker-gesteinsbereiche. Der obere Bereich besteht aus Hangschutt--/Moränenmaterial undden Ablagerungen nacheiszeitlicher Muren. Es handelt sich um meist bindiges Material,das aus einem feinkornreichen Gemisch aus Kies, Sand, Steinen und Blöcken, sowieTon und Schluff besteht. Die Konsistenz der bindigen Anteile wechselt von breiig bissteif.

Der Anteil der Blöcke (Findlinge teilweise über 10 m3) ist in manchen Bereichen außer-ordentlich hoch. Die Blöcke sind in die umliegende Bodenmatrix unterschiedlich fest ein-gebunden, da sie teilweise mit einer dünnen bindigen Schicht breiiger Konsistenz umge-ben sind. Eine wesentliche Verbesserung des Bodens durch Zementinjektionen mußteangezweifelt werden. Unter dem Hangschutt und dem Moränenmaterial stehen ge-schichtete Fluß-- und Stillwasserablagerungen an. Sie sind sandig und kiesig und gele-gentlich mit tonig--schluffigen Lagen unterschiedlicher Konsistenz durchzogen.

Die Durchsetzung des Lockergesteins mit großen und kleinen Blöcken machte einenkonventionellen Vortrieb mit Tunnelbögen und Spießen unmöglich, da größere Blöcke inder Tunnellaibung mit dieser Vortriebsmethode nicht sicher gehalten bzw. in den Quer-schnitt hineinragende Teile der Findlinge nicht abgesprengt werden können, ohne er-hebliche Auflockerungen zu verursachen.

Nach längeren Diskussionen entstand eine erfolgreiche Vortriebsmethode, die auchgroße Findlinge bewältigt (Bild 5). Es handelt sich um eine Voraussicherung mit einemschweren Spießschirm, auch manchmal “Farchanter Spießschirm” genannt. Die Ka-lotte wird mit vorgebohrten, nachgerammten kräftigen 7 m langen Spießen (St 52,Durchmesser 51 mm, Wanddicke 10 mm, Abstand 35 cm) nach jedem Abschlag gesi-chert. Bei Abschlagslängen von einem Meter mit leicht nach außen gerichteten Spießenliegen um jeden Abschlag 5 bis 6 Spießschirme übereinander. Findlinge im Bereich bis2,5 m außerhalb der Tunnellaibung werden von den Spießen vielfach vernadelt undauch sicher gehalten, wenn sie in den Tunnelquerschnitt hineinragen und abgesprengtwerden müssen.

Neben dieser sicheren Vernagelung der Findlinge erzeugen die kräftigen 7 m langenübereinander angeordneten Rammspieße eine hervorragende Längstragwirkung undbewirken die notwendige Stabilisierung der nur wenig standfesten Ortsbrust, die trotzStützkern nur in Teilausbrüchen bei sofortiger Sicherung mit Spritzbeton aufgefahrenwerden konnte.

Dank der mehrlagigen Durchsetzung des Gebirges mit Rammspießen in engen Abstän-den, der dadurch erzeugten Längstragwirkung und aufgrund sofortiger Sicherung der

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Teilausbrüche mit Spritzbetonrobotern, bestand trotz zahlreicher großer Findlinge kei-nerlei Gefährdung der Mannschaften. Der Vortrieb konnte immer stetig fortschreiten.

Die Herstellung des “Farchanter Spießschirmes” erwies sich als ein sehr wirtschaftli-ches und praktikables Verfahren. Die erreichten Vortriebsleistungen an einem Arbeits-tag mit 24 Stunden betrugen maximal 5 m und im Durchschnitt ca. 3 m bei 1 m Ab-schlagslänge.

Findling

SpießenachBedarf

Spießenach Bedarf  42 mm

t = 3 mmL = 5 m

Spieße   51 mm, t = 10 mm, L = 7 m, a = 35 cm

Vorgebohrte Rammspieße   51 mm, L = 7 m

Bild 5: Sicherung von Blöcken mit vorgebohrten Rammspießen

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7 Vergleich ”Rohrschirm” – ”Farchanter Spießschirm”

Die Sicherheit ist mit beiden Systemen gewährleistet. Große Findlinge, die in das Aus-bruchsprofil hineinragen, können in beiden Fällen ohne weitere Probleme abgesprengtwerden (Bilder 6 und 7).

7.1 Vorteile Rohrschirm

S In weiten Bereichen ergibt sich wegen der längeren Rohre des Rohrschirmes eineweitere Voraussicherung und damit eine größere Sicherheit der Ortsbrust.

S Die Tragfähigkeit der einzelnen Rohre des Rohrschirmes ist dank des hohen Wider-standsmomentes der Rohre besser als beim Spießschirm.

S Der Rohrschirm wäre auch im rolligen Gebirge anwendbar, während man bei demSpießschirm in der Art und Weise, wie er hergestellt wurde, davon ausgehen muß,daß das vorgebohrte Bohrloch so standfest ist, daß der Spieß anschließend einge-rammt werden kann. Bei den angetroffenen Bodenarten war dies jedoch kein Pro-blem.

Rohrschirm ohne Injektion

7 Mann Vortrieb 7 Mann Vortrieb6 Mann Rohrschirmerstellung

Personal

GeräteSpezialbohrgerät derFirma RODIO (15 m Lafette)Bohrwagen (Rocket Boomer)

Bohrwagen (Rocket Boomer)

Durchschnittl.Leistung 1,8 m/AT 3.0 m/AT

”Farchanter Spießschirm”

Bild 6: Vergleich von Rohrschirm und Spießschirm

7.2 Vorteile ”Farchanter Spießschirm”

S Beim Vortrieb mittels Spießschirm kommen eigene Mannschaften und Gerätschaftenzum Einsatz. Für die Erstellung der Rohrschirme wurde eine Mannschaft einer Spe-zialtiefbaufirma benötigt.

S Durch das dichte Netz von Vorausbohrungen ergibt sich gleichzeitig ein gutes Vorer-kunden des Bodens, um evtl. extrem große Findlinge festzustellen.

S In jedem der beiden Tunnel kann in getrennten Betrieben gearbeitet werden. Es gibtkeine Abhängigkeiten der Betriebe und damit verbundene Stillstände. Beim Rohr-schirm führen Verzögerungen eines Betriebes zum Stillstand des anderen Betriebes.

S Da an beiden Tunneln gleichzeitig gearbeitet werden kann, ergeben sich wesentlichbessere Gesamtvortriebsleistungen.

S Beim Rohrschirm muß wegen des großen Sägezahns ein innerer Bogen und eine zu-sätzliche Bewehrungslage gestellt, sowie der gesamte Sägezahn mit Spritzbetonverfüllt werden. Bei der Spießschirmsicherung entfällt dies, weil kein ausgeprägterSägezahn erforderlich ist.

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S Der Spießschirm ist insgesamt preislich wesentlich günstiger.

00

Bau

zeit

[AT

]

Vortriebsdistanz [m]10 9080706050403020 110100

70

60

50

40

30

20

10 ”Farchanter Spießschirm”

Rohrschirm

Bild 7: Bauzeitvergleich: Rohrschirm -- “Farchanter Spießschirm”

8 Rechenmodell für den Vortrieb im Lockergestein mit hohem Anteilan Findlingen

Beim Vortrieb entsteht ein äußerst kompliziertes Tragsystem aus Gebirge und Tunnel-schale dessen geometrische Verhältnisse und Spannungszustände sich mit jeder Vor-triebsphase ändern. Eine gezielte Betrachtung der wesentlichen Tragwirkungen kanneinen Übergang von der eigentlich erforderlichen räumlichen Berechnung zu einerzweidimensionalen Berechnung, die für praktische Belange genau genug ist, ermögli-chen. Im vorliegenden Fall bietet sich als Rechenmodell eine Kombination aus Schei-benberechnungen an [ 7 ]. Es handelt sich hier um Scheiben mit weichem Kern bzw. umScheiben mit Loch und Randverstärkung. Als Bindeglied zwischen räumlicher und ebe-ner Berechnung fungiert der sogenannte Steifigkeitsfaktor ∼, der die Verformungen derScheibe mit weichem Kern beeinflußt. In der Planungsphase wurde der Steifigkeitsfak-tor ∼ mit der Größe 0,4 analog den Erfahrungen bei vergleichbaren Böden ohne Blöckeangenommen.

Da die Blöcke durch die beschriebene Vortriebsmethode mit 7 m langen Spießen in biszu 5 Lagen mit dem Boden vernadelt sind, können im Rechenmodell einheitliche ver-schmierte Kennwerte verwendet werden (E = 50 MN/m2, ♥ = 37,5, c = 0, ← = 0,33, Ko =0,5) (Bild 8).

Die Überdeckung der Röhren schwankt im Lockergestein bis wenige Meter vor der Pan-nenbucht--Nord zwischen 25 und 20 m. Der Kalotten-- und Strossenvortrieb erfolgt ge-trennt. Da sich die Strosse in weiten Bereichen in Still-- und Flußwasserablagerungenbefindet, die nur eine geringe Standfestigkeit aufweisen, wird von der Kalottensohle ausdurch leicht schräg nach außen gerichtete Kalottenfußinjektionen der Boden so verbes-sert, daß ein Vortrieb der Strosse ohne weitere vorauseilende Sicherung erfolgen kann.

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Die Kalottenfußinjektion wird durch die Tragwirkung eines Stabzuges im Bereich derspäteren Strossenschale simuliert. Aus Erfahrungswerten und genaueren Vergleichs-rechnungen, in denen der Injektionsbereich berücksichtigt wurde, weiß man, daß wirk-lichkeitsnahe Ergebnisse erzielt werden, wenn der Stabzug ähnliche Abmessungen wiedie Spritzbetonschale erhält, jedoch der E--Modul nur in der Größenordnung des Bo-dens angesetzt wird und plastische Wirkungen nicht zugelassen werden. Bei mittlererKalottenfußtragwirkung ist eine Spritzbetonaußenschale von 30 cm Dicke gerade aus-reichend. In Anbetracht der Findlingsproblematik und möglicher Minderungen der Trag-wirkung der Kalottenfüße wurde jedoch bis zum Vorliegen von Meßergebnissen eine 35cm dicke Spritzbetonschale in die Ausbaufestlegungen aufgenommen.

Die durchgeführten Berechnungen mit einem Steifigkeitsbeiwert ∼ = 0,4 und unter-schiedlichen Kalottenfußtragwirkungen bzw. Injektionserfolgen ergaben Oberflächen-setzungen zwischen 48 und 31 mm. Eine Größenordnung, die bei Lockergesteinsvor-trieben mit 25 m Überdeckung schon im Bereich größerer Verformungen liegt.

11.4

60

5010

E

Eb

α

Ä= 37.5˚

1B

1A

2B

2A

α

= 0.1 ÷ 0.5α

Vereinfachter Rechenquerschnitt

E = 50 MN∕m2

c = 0 γ= 22.5 kN∕m3

0.5 ⋅ Eb

Eb

Rechenmodell

0.5 ⋅ Eb

αααα Simulation LängstragwirkunSimulation Kalottenfüße

Eb E--Modul Spritzbeton

EA = E--Modul Auflockerung

Moränenkies und Hangschutt mit Findlingen

d⋅E

Ortsbrustaufnahme

EA

d⋅E

d⋅E Simulation Injektion

Bild 8: Rechenmodell

Beim Vortrieb nach dem Verlassen des Übergangsbereiches Fels-- und Lockergesteinnahmen die Oberflächensetzungen und Firstverformungen heftig zu. Die Meßwerte ander Oberfläche waren mit 80 bis 125 mm zwei-- bis dreimal so groß wie in der Berech-

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nung. Beim Befahren der Kalottensohle mit den Vortriebsgeräten entstanden teilweiseerhebliche elastische und plastische Verformungen, sodaß in begrenzten Bereichensogar ein Bodenaustausch erforderlich wurde. Durch sehr sorgfältige Ausführung derKalottenfüße (85 cm Aufstandsbreite) konnte die Verformung an der Oberfläche auf 100mm begrenzt werden. Trotzdem wurde eine Überarbeitung der Berechnungen erforder-lich. Der Moränen-- und Hangschutt mit den eingelagerten Findlingen kann vortriebs-technisch zwar gerade noch beherrscht werden, aber das Gebirgsverhalten wird mit ei-nem einheitlichen E--Modul von 50 MN/m2 nicht befriedigend erfaßt. Im Bereich um dieKalotte treten ausgedehnte plastische Zonen auf. Hier kommt es aufgrund der erhebli-chen Verformungen zu Auflockerungen.

In der Rechnung werden die Auflockerungszonen über der Firste vereinfacht durchSteifigkeitsminderungen bis zu 50 % simuliert. Parameterstudien für unterschiedlicheAuflokkerungen und Steifigkeitswerte zwischen∼= 0,1 bis 0,4 ergeben Oberflächenver-formungen von 80 bis 120 mm und Firstverformungen von 120 bis 150 mm.

20

Ausbruch StrosseAusbruch Kalotte

40

80

120

Oberflächenverformungen

0 40 60 80 0 40 80

80

118

5 10 15 20 5 10

Vortrieb 3---4 m / Tag Vortrieb 8---10 m / Tag

Verformungsbereich von14 Messungen an der Oberfläche

Tage

m

[mm]

Rechnung α = 0.1 (Auflockerung über der Firste)Rechnung α = 0.1 (schlechte Kalottenfußausbildung)

125

87

Bild 9: Gemessene und berechnete Verformungen

Im Bild 9 sind die gemessenen Verformungen und dazu passende Parameterauswer-tungen des Rechenmodells angegeben. Die Oberflächenverformungen von 87 bis 125mm sind bei 25 bis 20 m Überdeckung außerordentlich groß. Im Rechenmodell könnendiese Werte nur erreicht werden, wenn erhebliche Auflockerungen berücksichtigt wer-den, was bei dem beschriebenen Hangschutt mit eingelagerten Findlingen nicht ver-wundert.DiesegroßenVerformungenweisenaufmassiveplastischeZonenundAuflok-kerungen hin und signalisieren die Gefahr von Nachsetzungen bzw. einem völligen

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Ausfall der Gebirgstragwirkung. Aus diesem Grund mußte, obwohl für manche Parame-terkombinationen eine 30 cm starke Spritzbetonschale ausgereicht hätte, jedoch Nach-setzungen mit zusätzlichen Beanspruchungen für die Spritzbetonschale nicht ausge-schlossen sind, die in der Planung sicherheitshalber angesetzte Spritzbetonstärke von35 cm Dicke beibehalten werden.

9 Schluß

Der “Farchanter Spießschirm”, eine engmaschige Voraussicherung mit sehr langen undsehr kräftigen Spießen erwies sich im Falle eines Vortriebs im Lockergestein mit hohemAnteil an Findlingen als wirtschaftliche und sichere Alternative zum Rohrschirm.

Dieser Spießschirm kann bei entsprechenden Böden auch mit Injektion hergestellt wer-den. Er könnte auch in besonderen Fällen, bei Unterfahrungen von Verkehrsanlagenoder Gebäuden, in Konkurrenz zum Rohrschirm zur Ausführung kommen .

10 Am Bau Beteiligte

Bauherr: Bundesrepublik Deutschland.Entwurf und Auftraggeber: Autobahndirektion Südbayern.Bauoberleitung: Autobahndirektion Südbayern, Bauleitung Maisach.Bauausführung: ARGE Bilfinger + Berger und Hochtief.Entwurfsplanung und Bauüberwachung: Ingenieurbüro PSP, München.Ausführungsplanung bergmännischer Bereich: Ingenieurbüro EDR, München.Prüfingenieur und konstruktiv--technische Beratung: Prof. Schikora, München.Geotechnischer Sachverständiger: Dipl.--Ing. P. von Soos, München.

Literatur

1. Kohl, W.: Vergleich von Berechnung und Messung im Tunnelbau unter besondererBerücksichtigung der Geologie und Materialparameter am Beispiel TunnelprojektFarchant. Diplomarbeit am Lehrstuhl für Statik. TU München (1998)

2. Kupfer, H.; Kupfer, H. B.: Zur Bemessung der Tragwerke des U--Bahn--Baues. In: 25Jahre U--Bahn--Bau in München (Festschrift). Schottenheim & Giess OffsettdruckMünchen (1990)

3. Ostermeier, B.: Ein Beitrag zur Erfassung des Vortriebsgeschehens beim Bau vonTunneln im Lockergestein mit Spritzbetonsicherung -- Ebene und räumliche Berech-nungen. Berichte aus dem Konstruktiven Ingenieurbau, Technische Universität Mün-chen, Heft 1/91 (1991)

4. Ostermeier, B.; Schikora, K.: Ein Rechenmodell zur Erfassung unterschiedlicher Ab-schlagfolgen bei der Spritzbetonbauweise im Lockergestein. Bauingenieur 66 (1991)529--538

5. Ostermeier, B.; Schikora, K.: Ergebnisse räumlicher Berechnungen für Tunnelvor-triebe im Lockergestein nach der Spritzbetonbauweise. Bauingenieur 67 (1992)19--25

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6. Schikora, K.; Fink, T.: Berechnungsmethoden moderner bergmännischer Bauweisenbeim U--Bahn--Bau. Bauingenieur 57 (1982) 193--198

7. Schikora, K.: Ebene und räumliche Finite--Element--Berechnungen im Tunnelbau.Tunnel (1984) 158--161

Autoren

Univ.Prof. Dr.--Ing. K. Schikora, Dipl.--Ing. B. EierleTechnische Universität MünchenInstitut für Statik, Baumechanik und Bauinformatik

Dipl.--Ing. H. BretzBilfinger + Berger BauaktiengesellschaftNiederlassung Tunnelbau, München