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I TUNNELBAUI

nnähernd 2 x 25 km - 50 km vorwiegendeingleisige, bergmännisch aufzufahrendeTunnelröhren sind für das Verkehrsprojekt

Stuttgart 2l geplant (Bild U (MARQUARI2004).Davon liegen rund 16 km im anhydritführenden,quellfähigen Gipskeuper. Für derartige Gebirgsver-hältnisse l iegen im Stuttgarter Raum Erfahrungenmit einer Reihe von Tunnelbauten vor. die nachdem Widerstands- oder dem Ausweichprinzipausgebaut worden sind (Bild 2)(Wittke, 2004).

Beim Widerstandsprinzip wird die Stahlbetonin-nenschale so bemessen, dass sie dem Quelldruckwidersteht. Beim Ausweichprinzip oder Verfahrenmit nachgiebiger Sohlstützung (VNS) wird dagegenunterhalb der Sohle eine Knautschzone angeordnet,die Verformungen zulässt und dem Quelldruckdadurch nur einen geringen Widerstand entge-gensetzt. Der Quelldruck wird dementsprechendreduziert.

Der vorliegende Beitrag befasst sich mit demGipskeuper, seinen Erscheinungsformen und geo-technischen Eigenschaften sowie den Erfahrungen,die bei den im Stuttgarter Raum in diesem Gebirgeaufgefahrenen Tunneln und dem Untersuchungs-stollen Freudensteintunnel gesammelt worden sind.Darüber hinaus werden die an den Ergebnissen desUntersuchungsstollens Freudensteintunnel sowiean den Nachrechnungen ausgeführter Projektekalibrierten Statiken und die gewählten Ausbau-prinzipien der Tunnel des Projekts Stuttgart 21vorgestellt.

Tunnelabschnitte imanhydritführendenGipskeuper -vorgesehene Ausbau-prinzipien im ProjektStuttgart 2lDipl.-lng. Wolfgang Bacharach, DB ProjektBauGmbH, Regionalbereich Südwest, Karlsruhe

Gi pskeu g:er, Enschein a;nr gsfoa'rnen ur:dg+otechnisci're Hi gensc[raftec?

Bild 2 zeigt die Schichtenfolge des unausgelaugtenCipskeupers und die Lage derim Stuttgarter Raumausgeführten Tunnel(WITTKE, 2004). Diese liegenschwerpunktmäßig im Mittleren Gipshorizont.

Im Mittleren Gipshorizont wird das horizontalgeschichtete und vertikal geklüftete, anhydrit-führende Gestein oberhalb des Anhydritspiegelsvon gipsführendem Gestein und oberhalb derAuslaugungsfront von einem Residualgestein, demausgelaugten Gipskeuper, überlagert (Bild 3).

GroßeAbschnitte derTunnel des in Planung befindlichen ProjektsStuttgart 21 liegen im anhydritftihrenden quellfähigen Gips-keuper, der auch quellfähige Tonminerale enthält. Für derafiigeGebirgsverhältnisse liegen im Stuttgarter Raum Erfahrungen miteiner Reihe von Tunnelbauten uor, die nach dem Widerstands-oder dem Ausweichprinzip ausgebaut worden sind. Beispielehiefür sind der Schanztunnel, der Kappelesbergtunnel, derWagenburgtunnel, die Wendeschleife unter dem Hasenberg, derFreudensteintunnel und der Engelbergbasistunnel. Auf die beider Ausführung dieser Tunnel aufgetretenen Probleme wird indiesem Artikel kurz eingegangen.

Um solche Probleme beim Projekt Stuttgart 21 und auchbei zukünftigen Projekten zu vermeiden, wurden im ProjektStuttgart 21 in den letzten Jahren umfangreiche und weit-gehende Untersuchungen und Planungen vorgenommen. Indiesem Zusammenhang wurden beiWBl in den letzten Jahrenumfangreiche Entwicklungsarbeiten durchgeführt. Hier ist anerster Stelle die Auswertung und lnterpretation der im Unter-suchungsstollen U1 des Freudensteintunnels über einen langenZeitraum durchgeführten Messungen und Laborvercuche imAuftrag der DB ProjektBau GmbH (DBPB) zu nennen. Ein vonWBI entwickeltes FE-Programm wurde an diesen Mess- und

I Versuchsergebnissenkalibriefi.v Anhand von sehr umfangreichen statischen Nachweisen für

die Tunnel des Projekb Stuftgart 21 mit diesem FE-Programmwird gezeigt, dass das Widerstandsprinzip verformungsarm

auslührbar ist, wenn oberhalb der Tunnelfirste ein ausreichenddicker Riegel aus festem Fels als Widerlager für den Ouelldruckzur Verfügung steht. Steht unmittelbar oberhalb der Firste oderim oberen Teil des Ouerschnitts ausgelaugter Gipskeuper an, soergeben sich nach den Ergebnissen der FE-Berechnungen für dasProjektStuttgart 21 und den Beobachtungen am Wagenburgtunnelbei Anwendung des Widerstandsprinzips Hebungen der Tunnel-röhren, die bis zur Geländeoberfläche reichen können. ln solchenFällen ist das Ausweichprinzip zwepkmäßig, mit dem Hebungender Tunnelröhre deutlich verringert werden können. Außerdemwerden allgemeine Regeln erläutert, die generell beim Bau vonTunneln in quellfähigem Fels beachtet werden sollten.

lm Anschluss daran werden die für die Tunnel des ProjektsStuttgart2l , den Fildertunnel, dieTunnel nach 0ber- und Untertürk-heim sowie die Tunnel nach Feuerbach und nach Bad Cannstatt,vorgesehenen Maßnahmen für den Ausbruch und die Sicherungsowie die vorgesehenen Ausbauprinzipien erläutert. Bei derWahleines Ausbauprinzips für die Tunnel des Proiekts Stuttgart 21 undbeim Vergleich derAusbauprinzipien wurde auch berücksichtigt,dass die Kosten für das Ausweichprinzip in der Regel deutlichhöher sind als für das Widerstandsprinzip. Außerdem bestehtbeim Widerstandsprinzip durch die Selbstabdichtung des Gebir-ges die Chance für weiteres Einsparpotenzial. Daher wurde dasAusweichprinzip nur dort vorgesehen, wo der Felsriegel oberhalbder Tunnelfirste nicht ausreichend dick und tragfähig ist, um den0uelldruck aufzunehmen,

seüiechnik 30 (2007) Nr.4 231

Bacharach: Tunnelabschnitte im anhydritfuhrenden Gipskeuper - vorgesehene Ausbauprinzipien im Projekt Stuttgart 21

Bi ld l ,LageundLänge der Tunnel imProjekt Stuttgaft 21.

Bi ld 2- lm unaus-gelaugten Gipskeuperausgeluhfte Tunnel,

lKaffihEllldll(-1S0)

') alte EisnMhünnel

mh o1terer Sohle

Der anhydritführende Fels besteht aus dünnenbis massigen Sulfatgesteinslagen, die im Wechselmit Schluffsteinlagen liegen. Das Sulfatgestein kanndarüber hinaus auch fein verteilt sowie in Form vonKnauern und Knollen auftreten. Die horizontalenSchichtfugen und vertikalen Klüfte sind weitgehendgeschlossen beziehungsweise durch Fasergips ver-heilt. Der Fels weist eine sehr geringe Durchlässig-keit und einen Verformungsmodul, der in der Grö-ßenordnungvonE :4 000 N/m2 liegt,auf(WITTKE,2004, WITTKE-GATTERMANN, 1998).

Die Umwandlung von Anhydrit in Gips unterZugabe von Wasser ist mit einer Volumenzunahmevon AV: 6l % verbunden (Bild 4). Wird daher denanhydritführenden Gesteinen des Gipskeupers beiEntlastung \Ä/asser zugeführt, wie das beispiels-weise beim Bau eines -I-unnels geschehen kann, soführt das zur Bildung von Gips und in der Folgezu grol3en quellbedingten Verformungen oder, beideren Verhinderung, zu großen Quelldri icken.

InderNaturistdieserUmwandlungsprozess unterEinwirkung des Grundwassers zum TEil schon ein-getreten, sodass oberhalb des Anhl'dritspiegels das

m s-Bahn tt snbörg (lsel{.+)

Sulfat bereits in Form von Gips vorliegt (vgl. Bild 3).

Der gipsführende Fels hat ähnliche Eigenschaftenwie der anhydritführende Fels, quil lt aber nicht.

Unter Einwirkung des Grundwassers geht derGips in Lösung und wird mit der Grundwasserströ-mung abtransport ier t . Übr ig bleibt oberhalb derAuslaugungsfront ein Residualgestein, der ausgel-augte Gipskeuper, der einem Boden entspricht (vgl.

Bild 3) (wrTTKE-GATTERMANN, 1998). Mir E: 100bis 150 MN/m2 besitzt er die Verformbarkeit einesgut verdichteten Kiessands. Die Scherparameter vonetwa q- ' :25o und c: 50 kN/m'z (Ersatzreibungs-winkel q : 30') sowie die Durchlässigkeit vonk, : 106 m,/s entsprechen den Kennwerten einesbindigen Bodens.

Entlang der Auslaugungsfront befinden sichörtl ich Verkarstungshohlräume, die jedoch nichtsehr groß sind, weil diese in dem ausgelaugtenGestein nicht standsicher sind (vgl. Bild 3J.

Beim Tunnelbau in der Übergangszone vomunausgelaugten zum ausgelaugten Gipskeuperist unterhalb der Auslaugungsfront mit starkenWasserzutritten zu rechnen.

ärfa['te"urrEeil 0$lt Turxa'reEbaut*n Enrrarrhydritfi-rhreffi deil G In:slceun:er irri'rStuttgart*r Fiaumr

Schanztunnel und KappelesbergtunnelDer Schanztunnel mit gemauertem Gewölbe undungesicherter Sohle (Bild 5) wurde urn 1880 auf-gefahren (vgl. Bild 2). Die Auslaugungsfront l iegtim mit t leren Abschni t t des Tunnels oberhalb derTunnelfirste tBild 6).

Das \Ä/asser u,urde zunächst gelasst und in einerSohldränage abgeführt. Of fensichtl ich wurden dieEntwässerungseinrichtungen später nicht mehrgewartet, sodass Wasser dem Gefälle des Tunnelszum westlichen Portal folgend über die offene Soh-le gelaufen und in das darunter l iegende Gebirgeeingedrungen ist. In der folge ist es im Bercich desunar,rsgelaugten Gipskeupers unterhalb der Sohlezur Umwandlung von Anhl'drit in Gips und spä-ter zur Auslaugung des Gesteins gekommen. Dieauftretenden sehr großen quellbedingten Sohlhe-bungen (r'gl. Bild 6) mussten immer wieder durchWegräumen der Sohle und durch Gleissenkungenausgeglichen werden (ERICHSEN/KURZ, 1996).

Diese Quellvorgänge ftihrten zu Auflockerun-gen und damit zu einer Erhöhung der \.Aiasser-durchlässigkeit des Gebirges. Der zusätzlich zumGebirgsdruck auf das Tunnelgewölbe wirkende

Quelldruck führte im Lauf der Jahre schließlich zuAbplatzungen des Mauerwerks (vgl. Bild 6) .

Bild 7 zcigt die Aufwölbung des Gebirges imBereich des unausE;elaugten Gipskeupers unterhalbder offenen Sohle des ähnlich konstruierten Kap-pelesbergtunnels (KURZ/SPANC, 1984).

Wenn Tunnel in quellfähigem Fels mit eineroffenen, ungesicherten Sohle gebaut werden, soentspricht dies, wenn es durch Entwässerungsein-

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232 ücotcciiliil( 30 (2007) Nr 4

NAS Stmg6d 21

Bacharach. iunnelabschnrtte im anhydrif führenden Gipskeuper - vorgesehene Ausbauprtnzipien im Pro1ekt Stuttgad 21

r ichtungen nicht gel ingt das Wasser fernzuhal tet t ,e inem i \usweichpr inzip.

WagenburgtunnelDer Wagenburgtunnel rn i t Hufeisenquerschnrt tund gesch lossener Sohle w urde i n den Jahren l94lbis 1957 gebaut (vgl . Bi ld 2). DieserTunnel l iegtmitder Firste bereichsweise noch im unausgelaugtenGipskeuper (Bi ld B).

Der Tunnel wurde seinerzeit nach dem Wider-standsprinzip gebaut, jedoch nicht ausreichendgegen Quelldruck bemessen. Das führte dazu, dassdie Tunneisohle mehrfach versagte und saniert wer-den musste. Außerdern traten auch Hebungen derTunnelröhre auf , die sich bis zur Geländeoberflächeauswirkten (Bilder 8 und 9) (PAUL/WICHTER,199.1;WBI, 1996).

Wendeschleife unter dem HasenbergDie Wendeschleife der S-Bahn Stuttgart unterdemHasenberg (Baulos l2) wurde 1974bis l977gebaut(vgl . Bi ld 2) {GRÜTER/LIENTNG, 1976;WTTTKEiRISSLER, 1976). Dieser Tunnel l iegt über einengroßen Tei l seiner Länge im unausgelaugtenGipskeuper, wobei die Auslaugungsiront etwa15 m oberhalb der Firste verläuit. Aus statischenGninden wurde für den Tunnel ein Kreisprofi lgewähit (Bi ld l0) .

Der Tunnel wurde trocken aufgefahren, und dieTunnellaibung wurde mit 2 bis 5 cm Spritzbetonversiegelt. Anker und Bögen wurden nicht verwendet.Es zeigte sich, dass der Tunnel auch mit l0 m Aus-br uchdurchmesser standl-est und absolut trocken blieb

fBild 1l) (WITTKE, 2004). Die I mdickelnnenschale(vgl. Bild 10) wurde nach dem Widerstandsprinzipgegen Quelldruck bemessen. Bis heute, das heißt ineinem Zeitraum von 30Jahren, sindan diesemTunnelkeinerlei Schäden aufgetreten.

FreudensteintunnelDer rund 6,8 km lange, zweigleisige Freuden-steintunnel auf der Hochgeschwindigkeitsstrecke[,lannheim-Stuttgart kommt auf einer Länge vonetwa 5 km im unausgelaugten Cipskeuper zuliegen (Bild 12) (KLONSDORF/SCHASER, l99l;KIRSCHKE et al . . l99l) .

Die Auslaugungsfront liegt über dem gröl3ten Teilder Länge deutlich oberhalb der Tunnelfirste, fälltallerdings im Bereich der Zwischentäier stark ab.Vorwiegend hier ist es beim Bau auch zu Wasser-zutritten gekommen, weil der Grundwasserspiegellroch ansteht (vgi. Bild l2)(WITTKE, 2004). ZurAusführung kam im Freudensteintunnel das Aus-weichprinzip mit Knautschzone und Betonschul-tern (Bi ld l3 l (KIRSCHKE et al . , 1991).

EngelbergbasistunnelAuch die beiden Röhren dieses in denJahren 1995bis 1999 gebauten rund 2,85 km langen, dreispu-r igen Autobahntunnels l iegen bereichsweise imunausgelaugten Gipskeuper (BERNHARDT/ ROCK,

+2-HzO

A V : 610/o+

Bild 3. Schichten imMittleren Gipshorizont.

Bild 4. Umwandlungvon Anhydrit in Gips.

Bild 5. Schanztunnel,Querschnitt.

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Hinterfrittung Ius Ausbrurh I

Sandstein - iqusmouerung I

Schluffstein mit Anhydrit,fein verteilt und in Form

von Knauem und Knollen

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Gesel lschaft für Baugeolog ieund -meßtechnik mbHBaugrundinsti tutUntersuchung, Planung und Beratung in denBereichen. lngenieur- und Hydrogeologie. Grundbau, Felsbau, Geomechanik. Tunnel- und Kavernenbaur Umwelt, Deponien. Geotechnische MessungenPforzhermerstr 126a Roben-Bosch-Str 776275 Ettl ingen 65549 LimburgTel. 07243 / 76 32 -0 Tel . 06431 | 91 12 - 0FaxO7243 | 76 32 - 50 Fax 06431 t 91 12 - 10ettl ingen@gbm-bäugrundinstitut.de l imburg@gbm-baugrundinstitut.de

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Bacharach: Tunnelabschnitte im anhydritführenden Gipskeuper - vorgesehene Ausbauprinzipien im Prolekt Stuttgart 21

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Bild 6. Schanztunnel, Langsschnitt mit Sohlhebungen. Bild 7. Kappelesbergtunnel, quellbedingte Sohlhebungen

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Bild 8. Wagenburgtunnel, Längsschnitt mit Vertikal-verschiebungen.

Biid 9. Wagenburgtunnel, 0uerschnitt mit Vedikal-verschiebunoen.

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Bild l0 S-Bahn Stuttgart, Los 12, Widerstandsprinzip.Bild 11. S-Bahn Stuttgaft, Los 12, Blick in den Tunnel.

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Bild 1 2. Freudensteintunnel, Längsschniü im Bereichdes unausgelaugten Gipskeupers.

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Bild 1 3. Freudensteintunnel. Ouerschnitt

Bacharach : Tunnelabschnitterm anhydritführenden Gipskeuper - vorgesehene Ausbauprinzipien im ProJekt Stuttgaft 2i

1995; ARCE ENGELBERG, 1999). Der Cruudwasser-spiegel steht im ausgelaugten Gipskeuper oberhalbder Tunnel f i rste an (Bi ld 14).

Die Röhren dieses Tunnels waren zunächst nachdem Widerstandsprinzip geplant und ausgeschrie-ben. Es gelang jedoch während des Baus nicht, dasWasser vom quellfähigen Gipskeuper t'ernzuhaiten,sodass das Quellen einsetzte und die zur Siche-rung vorgesehene 30 cm dicke Spritzbetonschaleam Übergang von der Sohle zur Ulme brach (Bild

l5) IWITTKE-GATTERN,IANN, 1998). Daraufhinmusste die Sohle geankert werden.

Es erfolgte dann noch während des Baus eineUmstellung auf das Ausweichprinzip. Die ausge-führten Scha lendicken aus Spritzbeton, N,{a gerbetonund Stahlbeton waren dennoch erheblich (Bild l6)(BERNHARDT/ROCK, 1995; ARGE ENGELBERG,1999). Dadurch kam es zu großen Bauverzöge-rungen und Kostenerhöhungen.

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Der Llntersuchungsstollen U 1 des Freudensteintun-nels ist das weltweit einzige In-situ-Versuchsbau-werk, in dem verschiedene Ausbauprinzipien fürden Einsatz in quellfähigem Gebirge erprobt wur-den und werden. Die Querschuittsabmessungendes Untersuchungsstollens und des Freudenstein-tunnels stehen im Verhältnis von etwa I : 2. Mitder Bewässerung und Aktivierung des Anhydritsim Untersuchungsstollen wurde 1987 begonnen(FECKER/WULLSCHLAGER, 1991). Seir 2002werden die Untersuchungen im Untersuchungs-stollen und die Auswertung und Interpretationder Versuchsergebnisse für das Projekt Stuttgart2l im Auftrag der DBPB weitergeführt. Es werdenVerformungs- u nd Spannungsmessungen an nachden verschiedenen Prinzipien ausgeführten Aus-kleidungen durchgeführt (Bild l7).

Neben Querschnitten mit kreisförmigem be-ziehungsweise annähernd kreisförmigem Profi l,die nach dem Widerstands- und Ausweichprinzipausgeführt wurden (Schnitte l- l und 2-2), wurdenauch Querschnitte mit geankerter Sohle mit r.rndohne Knautschzone (Schnitte 3-3 und 4-4) herge-stel l t (vgl .Bi ld 17).

Das lvlessprogramm wird durch Laborversuchebegleitet, die an der Universität Karlsruhe und derTU Darmstadt durchgeführt werden. Diese Labor-versuche werden ebenfalls seit 2002 im Auftrag derDBPB für das Projekt Stuttgart 2l weitergeführt undvom Ingenieurbüro Prof .Dr. -lng.W. Wittke, beratendeIngenieure für Grundbau und Felsbau GmbH (WBI)gesteuert, ausgewertet und interpretiert.

Parallel dazu und im Zuge der Planungen fürdas Projekt Stuttgart 2l erfolgte bei WBI die Ent-wicklung von Stofigesetzen zur Beschreibung quell-bedir"rgter Spannungen- und Verformungen unddalauf autbauender Berechnungsverfahren nachder FEM (KIEHL, 1991; WITTKE-GATTERMANN,

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Bild 14. Engelberg-basistunnel,

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(L:2850m).

Bi ld 15. Engelberg-basistunnel,Abscheren derSpritzbetonschal e.

Bi ld 16. Engelberg-basistunnel.0uerschnitt 0ströhre

1 998; WITT'KE, 2003) . Dieses FE-Plogramm wurdedann im Auftrag der DBPB für die statischen Nach-weise der Tunnel des Projekts Stuttgart 2l an denim Untersuchungsstollen U1 des Freudensteintun-nels gewonnenen Mess- und Versuchsergebnissenkalibriert (WITTKE-GATTERMANN, 1998).

Diese Erkenntnisse sind in die statischen Nach-weise, die Planung und die Festlegung der Ausbau-prilzipien der Tunnel für das Profekt Stuttgart 2leingeflossen.

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Ausgelauter Gipskeuperoberhalb der FirsteIn den Bi ldern l8 und l9 s ind die Ergebnisse derFE-Berechnungen für das Projekt Stuttgart 21 für

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gea{echnix( 30 (2007) Nr.4 235

Bacharach: Tunnelabschnitte im anhydrit führenden Gipskeuper - vorgesehene Ausbauprinzipien im Projekt Stuttgart 21

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Festigkeit und des geringen Verformungsmodulsdem Quelldruck nur einen geringen Widerstandentgegensetzt (vgl. Bild l9J.

Festgestein in ausreichender Dickeoberhalb der FirsteIn den Bi ldern20und2l s inddieErgebnissederFE-Berechnungen für das Projekt Stuttgart 2 1 f ür einenFall dargestellt, bei dem gesteinsharter Gipskeuperbis weit oberhalb der Firste derTunnelröhre ansteht(WITTKE, 2004). Eine nennenswerte Hebung derTunnelröhre und des darüber l iegenden Gebirgestritt weder beim Widerstandsprinzip noch beimAusweichprinzip ein (vgl. Bild 20J.

Die Sohle der Stahlbetoninnenschale wird beimWiderstandsprinzip generell höher belastet alsbeim Ausweichprinzip. Beim Ausweichprinzipziehen die seitl ich der Knautschzone angeordnetenBetonschultern allerdings hohe Quelldrücke an.Dieser Effekt führt zu großen Querkräften in diesemBereich (vgl. Bild 2l).

Gegenüberstellung und Vergleich vonWiderstands- und AusweichprinzipIm Zuge der umfangreichen Planungen undUntersuchungen zu den Tunneln des ProjektsStuttgart 21 wurden das Widerstandsprinzip unddas Ausweichprinzip verglichen (Bild 22J. Hierbeiist festzustellen, dass mit der Herstellung einerRöhre nach dem Ausweichprinzip (VNS) deutlichhöhere Kosten verbunden sind als mit einer nachdem Widerstandsprinzip hergestellten Röhre.Außerdem ist die Knautschzone stark wasser-durchlässig und führt dem Gebirge unterhalb derSohle Wasser zu, das Quellhebungen und damitAuflockerungen auslöst. Eine Selbstabdichtungund die damit verbundene Begrenzung der Quell-druckbelastung kann sich deshalb nicht einstellen(wrTTKE,2003).

Anforderungen an die BauausführungEine Grundregel des Tunnelvortriebs im unausge-laugten Gipskeuper ist es generell, Wasserzutrittebis zur Fertigstellung der Innenschale zu vermei-den. Dazu sind die im Bild 23 zusammengestelltenRegeln für einen trockenen Vortrieb streng einzu-halten. ln Fällen, in denen der Tunnelquerschnittvollständig im unausgelaugten Gipskeuper unter-halb der Auslaugungsfront l iegt, ist es auf dieseWeise möglich, das Gebirge absolut trocken zuhal ten (WITTKE,2004J.

Steht im ausgelaugten Gipskeuper Crundwasseran und schneidet der Tunnel insbesondere diedann wasserführende Auslaugungsfront an, soist es allerdings sehr schwierig, wenn nicht sogarunmöglich, in der Tunnelsohle anstehendes, an-hydritführendes Gebirge trocken zu halten. Manwird r,ersuchen müssen, das Wasser zu fassen undabzuführen. Wenn das nicht gelingt, kann man einetemporäre Sohlankerung und Spritzbeton vorsehen,die er,entuelle Sohlhebungen bis zum Einbau der

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E=150MN/m2,V=0,35

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Widerstandsprinzip (WP)

ausglelaugt

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Bild 1 8 Ausgelaugter Gipskeuper über Firste, Verschiebungen.

Bi ld 19. AusgelaugterGipskeuperuber Firste.

Radialbelastung.

Ausweiehprinzip (VNS)

den Fall dargestellt, dass oberhalb derTunnelachseausgelaugter Gipskeuper ansteht [WITTKE, 2004).Danach heben sich die nach dem Widerstandsprin-zip gebaute Tunnelröhre und das darüberliegendeGebirge deutlich stärker als eine unter gleichenVerhältnissen nach dem Ausweichprinzip ausge-führte Tunnelröhre (r'gl. Bild 1BJ.

Die Quel ldruckbelastung der Innenscl-raleist in diesem Fall beim Widerstandsprinzip nurgeringfügig höher als beim Ausweichprinzip, dader ausgelaugte Gipskeuper wegen der geringen

NBSSchnitt 1-1

Arlv€lcttpatEh

@Bild 1 7. Untersuchungsstollen Ui des Freudensteintunnels

236 1*rl.*:i;9-.;-;iii 30 (2007) Nr.4

Bacharach: lunnelabschnitte im anhydritführenden Grpskeuper - vorgesehene Ausbauprinzipien im Prolekt Stuttgart 2 1

Innenschale zumindest begrenzen (vgl . Bi ld 23)(KLONSDORF/SCHASER, 199I ) .

.Stuttgad 21, üer Fitrd,er'sur-ineE, ctie TunneEr-lach Ohei'- Lrncl Ljnte#rirlilte!:'n und cäas\i\f ! de rsta s-:cls pi'E n zi p

Ausbruch und SicherungDer längste Tunnel des Projekts Stuttgart 21 ist mitetwa 9,5 km der Fildertunnel, der den geplantenDurchgangsbahnhof im Talkessel mit der Filder-ebene verbindet. Etwa 4,3 km beiderTunnelröhrenliegen in den quellfähigen Gesteinen des unaus-gelaugten Gipskeupers. Aus statischen Gründenwurde f ür die Tunnelröhren jeweils ein Kreisprofi lgewählt. Die Gradiente des Fildertunnels wurdeim Bereich des Gipskeupers so tief gelegt, dass inallen entsprechenden Abschnitten ein Felsriegelausreichender Dicke über der Tunnelfirste ansteht.Man kann deshalb davon ausgehen, dass sich derTunnel trocken auffahren und nach dem Wider-standsprinzip auskleiden lässt (Bild 24).

Bei den Abschnitten der Tunnel nach Ober- undUntertürkheim, die im unausgelaugten, anhydrit-führenden Gipskeuper zu l iegen kommen, wurdein gleicher Weise vorgegangen.

Es ist ein schonender Ausbruch vorzuseiren, umAuflockerungen und damit verbundene Wasserzu-tritte zu vermeiden. Bei einem Sprengvortrieb sinddie Sprenglöcher trocken zu bohren und mit Ent-staubungsvorrichtungen zu versehen (vgl. Bild 23).Weiterhin ist eine geringe maximale Lademengeje Zündzeitstufe vorzusehen. In einem Zündgangist dies durch die Kombination aus Millisekunden-Kurzzeitzündern und Langzeitzündern in Verbin-dung mit nicht elektrischen Zündern (Nonel-Zün-der) möglich. Damitsind jeZündgangmehrals 100Zündzeitstufen verf ügbar (BREM/GATTERI{ANN,2006). Auch beim Schuttern ist zur Begrenzungder Staubbildung für eine ausreichende Belüftungzu sorgen. Eine Bedüsung mit Wasser ist strikt zuvermeiden (vgl. Bild 23).

Auf der Grundlage der durchgeführten umfang-reichen statischen Nachweise und Nachrechnungenausgeführter Projekte konnte gezeigt werden, dassals temporäre Sicherung der Ausbruchlaibung,ähnlich wie bei der Wendeschleife, eine Spritzbe-tonversiegelung weitgehend ohne eine Ankerung,die unter Umständen das Wasser anziehen würde(vgl. Bild 23), ausreichend ist.

AuskleidungBei einem konventionellen Vortrieb ist eine Aus-kleidung mit einer Stahlbetoninnenschale undPE-Abdichtung vorgesehen. Die Innenschalewurde nach dem Widerstandsprinzip gegen denvollen Quelldruck bemessen. Die Entwicklungder Betonfestigkeit wurde rechnerisch berück-sichtigt. Die umfassenden Berechnungen habengezeigt, dass eine Innenschalenstärke von 80 cmausreichend ist.

Widerstandsprinzip (WP) Ausweichprinzip (VNS)

Bild 20. Felsriegelüber Firste,

Verschiebungen.

Bi ld 21. Felsr iegelüber Firste,Rad ialbelastung.

Btld 22. Vergleich Widerstandsprinzip (WP) und Ausweichprinzip (VNS).

trockener Vortrieb- schonender Ausbruch :) Auflockerungen vermeiden

- Sprenglöcher trocken bohren

- Staub nicht mit Wasser niederschlagen

- Spritzbetonversiegelung der Ausbruchflächen

. möglichst keine Anker, die u-U, Wasser anziehen

Wasserzutritte im Bereich der Auslaugungsfront

- Fassen und Abführen

- Falls Quellen :; temporäre Sohlankerung(ggf. Überprofil herstellen)

Bild 23. Anforderungen an die Bauausführung.

Felsriegelüber Firste

IwP I vNs

mürbes Gebirgeüber Firste

wP I un"

Hebungen + + #

M,N + +o + +

Kosten + 1F

ChanceSelbstabdichtung +

leotechEiil( 30 (2007) Nr.4 237

Bacharach: Tunnelabschnitte im anhydrit führenden Gipskeuper - vorgesehene Ausbauprinzipien im PrOjekt Stuttgart 2 1

Btld 24. Fildertunnel,Widerstandsprinzip.

Bild 25. Tunnelnach Feuerbach,

Längsschnitt.

Bild 26. Tunnelnach Bad Cannstatt,

Längsschnitt.-230 m

Darüber hinaus besteht die Chance einer Selbst-abdichtung des Gebirges und damitverbunden einerweiteren Reduzierung der Innenschalendicke auf50 cm (WITTKE, 2003). Auf die PE-Abdichtungkönnte dann verzichtet werden.

Stutigant 21, clie Tt-sns'lel ftach Feuec"bacEtLni'ld naeh ßad eanc*statt r-i,*cl rias Aus-rnr'eichn'-rrEnzip,

Ausbruch und SicherungDer rund 3,2 km lange Tunnel nach Feuerbachdr.rrchörtert auf einer Länge von etwa 1,7 km denunausgelaugten Gipskeuper. ln einigen der imunausgelaugten Gipskeuper l iegenden Absch nitteist nur eine geringe Felsüberdeckung vorhan-den (Bild 25). Entsprechendes gilt auch für denrund 3,8 km langen Tunnel nach Bad Cannstatt(Bi ld 26).

Grundsätzlich soll auch in diesen Bereichen eintrockenes Auffahren der Tunnelröhren angestrebt

werden. Es isl jedoch örtl ich mit Wasserzutritten ausdem Baugrund zu rechnen. Wenn es bei einem kon-ventionellem Vortrieb zu quellbedingten Hebungenkommen sollte, ist eine temporäre Sohlankerungvorzusehen (vgl. Bild 23).

AuskleidungBei Anwendung des Widerstandsprinzips in den imGipskeuper verlaufenden Abschnitten der Tunnelnach Feuerbach und nach Bad Cannstatt. in denennur eine geringe Felsüberdeckung vorhanden ist,ist in größerem Umfang mit Hebungen zu rechnen(vgl . Bi ld l8) . Da in diesen Tunneln jedoch einefeste Fahrbahn vorgesehen ist, dürfen nur geringeHebungen zugelassen werden. Deshalb ist hierdie Anwendung des Ausweichpr inzips (VNS)vorgesehen. Im Bild 25 sind für den Tunnel nachFeuerbach die Abschnitte, die nach dem VNS aus-geführt werden sollen, ausgewiesen.In den übrigenAbschnitten ist das deutlich kostengünstigereWiderstandsprinzip vorgesehen (vgl. Bild 25).

Falls sich während des Vortriebs herausstellensollte, dass die Voraussetzungen für das Wider-standsprinzip, nämlich insbesondere ein ausrei-chender Felsriegel über der Firste, nicht vorliegen,wird auf das VNS umgestel l t . Entsprechendevortriebsbegleitende Untersuchungen und Aus-schreibungspositionen sind vorzusehen.

Für das VNS wurde von der DBPB bei WBIeine Studie beauftragt, in der unterschiedliche

Querschnitte untersucht wurden (Bild 27) (WBI,2004). Darunter auch Profile ohne die seitlichangeordneten Betonschultern. Die Betonschulternerleichtern die Herstellung der Knautschzone undvermeiden zudem, dass diese durch das Eigenge-wicht der Stahlbetoninnenschale belastet wird undsich zusammendrückt. Andererseits ziehen dieBetonschultern wegen ihrer hohen Steifigkeit, wiebereits erwähnt, Quelldrücke an (r,gl. Bild 21).

Um den VNS-Querschnitt im Hinblick auf dieBetondicke und die erforderliche Bewehrung zuoptimieren, wurden in der VNS-Studie umfang-reiche statische Berechnungen durchgeführt.Die VNS-Studie hat ergeben, dass das im Bild 27dargestellte Profil \tNS-E aus statischer und her-stellungstechnischer Sicht günstig ist und zurAnwendung kommen soll.

Ä,ushlick

Bei der Wahl eines Ausbaut-vps für einen Tunnelim anhydr i t führenden Gipskeuper und beimVergleich der Ausbauprinzipien sollte stets be-rücksicht igt werden, dass die Kosten für dasAusweichpr inzip in der Regel deut l ich höhersind als für das Widerstandsprinzip. Außerdembesteht beim Widerstandspr inzip im Fal l derSelbstabdichtung ein weiteres Einsparpotenzial.Daher sollte das Ausweichprinzip planmäßig nurdort zur Ausführung kommen, wo der Felsriegeloberhalb der Tunnelfirste nicht ausreichend dick

238 geotechr-i ik 30 (2007) Nr.4

Bacharach: Tunnelabschnitte im anhydritfuhrenden Gipskeuper - vorgesehene Ausbauprinzjpien im projekt Stuttgaft 2l

is t , um den Quel ldruck aufzunehmen. Dadurchgel ingt es in diesen Fäl len, d ie quel lbedingten

Hebungen zu begrenzen.

Quel lennachweis

A RGE ENG E LBERC ( I 999) : EngeIb ergbasist unne I undAut ob ah ndreie ck Leo nb e rg.

BERNHARDT, K. ; ROCK, D. (1995): Der Engelbery,

basistunneL: Bau und Finanzierungskonzept einesA utob ahn t unnels mit aulSergewöltnlichen Q uerschndrrs-

abmessLLngen üt schwlerigen Gebirgsverhriltnrssen. For-schung+ Praxis 36, S. 186-191. World Tunnel Congress.

STUVA, Köln.

BREM, G. ; GATTERMANN, J. (2006): Wetterent-

wic klunge n der Bo hr- und Sprengtecltnik. geotech ni k 29,Nr.2. S. 102-108.

ERICHSEN, C. ; KURZ, G. (1996): lnstandsetzungdes Schartztunnels - Entwurf und AusführtnE. geotech-

nik 19. Nr.3. S. l78-183.F'ECKER, E. ;WULLSCHLAGER, D. (1991): GCOICCI-

nische Mel3einrtchtungen in der Untersuchungsstrecke

Ul des Freud.ensteintunnels und ihre Ergebni"sse.lbw 7,s. 194-213.

GRÜTER, R. ; LIENING, B. (1976): S-Bahn stuttlart,Planung und Ban der Haltestelle SchwabstralSe (Baulos

11) und der unterirdi"schen WendeanLage (BauLos 12),Tei l I . Vorträge der Baugrundtagung in Nürnberg.

KIEHL, J.R. {1991): Ein dreidtmensionaLes Quellgesetzund" s eine A nw e n dung auf den F e Is hohlraumbau, P roc. 9.Nat. Felsmechanik Symposium, Aachen 1990, Sonderheftder Geotechnik, S. 185-207.

KIRSCHKE, D, ; KUHNHENN, K. ; PROMNIERS-BERGER, C. (1991): Der Freudensteintunnel : EineHerausforderung für den pLanenden Ingenieur. ibw 7,

s.5-39.

KLONSDORF, G. ; SCHASER, F. (1991): Baudurch

f ühr ung de s F reudensteintunne ls, Bergmännische und

offene Bauweisen. ibw 7, S. 118-172.

KURZ, G. ; SPANG, J. (1984): lnstandsetzung undErneuerung der B ltih strecke des Kapp elesb ergtunne ls.Bautechnik, Nr. l l .

MARQUART, P. (2004): Di"e GeoLogie weist den Weg- TunneLbau in den Gebirgslbrmotionen rund um Stutt-gortundauf derSchwtibischenAlb. geotechnik 27, Nr. 2,

s. 99-103.

PAU L, A. ; W IC HT E R, L. (19 9 3) : D as L angzeit v erh alten

uon TunneLbauwerken im queLlenden Gebirge - Neuere

Messergebniss e uom Stutt gar te r Wage nburgt unnel. P r oc.

10. Nat. Felsmechanik Symposium, Aachen 1992. Son-derheft der Geotechnik, S. 3B-46.

WBI (1996): Cu tachterliche Stellungnahme zur Sartierung

des Wagenburgtunnels, Prof. Dr.-lng. W. Wittke, BeratendeIngenieure für Grundbau und Felsbau GmbH, Aachen.

WBI (200a): Stuttgart2l,PFA 1.2,PFA l.6undPFA 1.5,

Studie zur Anwendung des Verfahrens mit nachgiebiger

So ttL s t ütz u ry (V N S) in d.en anhy d r [t f üh re nde n A b s c I mi t te rLder TunneL

WITTKE, M. (2003): Begrenzung der QuelLdrückedurch Selbstobrltchtung beimTurutelbatt tm anhydritf üh'rend.en Gebirge. Geotechnik in Forschung und Praxis,WBI-Pr int 13, Essen: Ver lag Clückaui Cmbl l .

Gl sbnrbebnffi/s(Bs) n spöebn.s - Didbe E shhlHmffi E ä#,si*ffi -

KnauMli@d

IIII

,IL

II

iI

W ITT K E, W. (200 4) : Planung, ßau und Ü b erw achunguon Tunneln tn queLlftihigem Cipskeuper. geotechnik 27,Nr.2, S. 104-111.

WITTKE, W. ; RISSLER, P. (1976): S-Bahn Stuttgl.rt,PLanung und Bau der Holtestelle Schutabstraf3e (BauLos

I 1) und der unterirdischen Wendeanlage (Baulos 1 2), TeiLII. Vorträge der Baugrundtagung in Nürnberg.

WITTKE-GATTERMANN, P. (1998): Verfahren zurBerechnung uon TunneLs tn quellftihigem Gebtrge undKalibrierung an einem Versuchsbauwerk. Geotechnikin Forschung und Praxis, WBI-PRINT 1. Essen: Verlag

Glückauf GmbH.

Bild 27. Ausweich-prinzip, untersuchte0uerschnitte.

ldeen zum Bohren

Kernbohrrohre und Zubehör

) Ankerbohren:Gestänge, Kronen und Zubehörf ü r Ü b e r I ag e ru n g s ho h rsyste m e

Werkzeuge, Gestänge undAdapter

Werkzeuge,

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