Bauprozesse und Bauverfahren des Tunnelbaus

Gerhard Girmscheid

• Verlag: Ernst & Sohn
• Jahr: 2013
• ISBN drucken: 9783433030479
• eBook-ISBN: 9783433603154
• Auflage: 3
• Thema: Technology & Engineering
• Thema: Civil Engineering

The successful completion of a tunnelling project depends on the choice of a construction method and the operational development. In this book, tunnelling methods and all the operational working steps are explained, starting from the geological situation.

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Einleitung

Der Tunnelbau gehört zu den faszinierendsten, interessantesten, aber auch schwierigsten Aufgaben des Bauingenieurs. Im Tunnelbau bestehen zwischen Gebirge, Konstruktion und Bauvorgang direkte Beziehungen.

Das Gebirge wirkt als tragendes Element und als Belastung; gleichzeitig dient es als Baustoff. Durch zahlreiche Einflüsse und Wechselwirkungen zwischen Gebirge und Hohlraumbauwerk unterscheidet sich der Tunnelbau massgeblich von anderen Baukonstruktionen.

Im Tunnelbau sind die Kenntnisse über Belastung und Materialparameter weiten statistischen Streuungen unterworfen. Meist gibt es nur wenig Aufschlüsse entlang der zukünftigen Tunnelachse. Mit Hilfe dieser Aufschlüsse sowie geologischen und heute zum Teil geophysikalischen Voruntersuchungen wird dann die Klassifizierung des Gebirges vorgenommen.

Da die meisten Gebirgsformationen, bedingt durch ihre tektonische Entstehungsgeschichte, heterogen geschichtet und gefaltet sind, sollte man bei Vorberechnungen die Streuung der geologischen und gebirgsmechanischen Parameter berücksichtigen. Damit kann die Bandbreite der Bauverfahren, Sicherungs- und Ausbaumassnahmen anschaulich für den Bauleiter und den Geologen unter klarer Definition der hydrologischen wie auch der petrographischen Annahmen vor Ort festgelegt werden. Besonders klar sollte dargelegt werden, wie sich die ändernden geologischen Verhältnisse auf die Berechnungsergebnisse und somit auf die zu treffenden Massnahmen auswirken.

Bild 1-1 Belgische Bauweise nach Rziha [1-1]

Die Bauverfahren und Sicherungsmassnahmen müssen den weiten Variationsbreiten der geologischen und petrographischen Parameter des Projektes Rechnung tragen. Die Adaptionsfähigkeit der jeweiligen Bauverfahren wie auch der Sicherungsmassnahmen ist für den wirtschaftlichen Erfolg der Projektabwicklung entscheidend.

Das Risikopotential bezüglich der Arbeitssicherheit und der bauverfahrenstechnischen Konsequenzen aus den geologischen und petrographischen Parametern, die man aufgrund der wechselnden Gebirgsverhältnisse antrifft, ist sehr hoch. Damit sind erhebliche Projektrisiken in bezug auf Termin-und Kostentreue verbunden. Für jeden Tunnelbauer ist die richtige Wahl des Bauverfahrens auf der Grundlage der Streubreite der geologischen und petrographischen Parameter sowie des Querschnittes Voraussetzung für den technischen und wirtschaftlichen Erfolg.

Durch diese Merkmale unterscheidet sich der Tunnelbau von den anderen anspruchsvollen Bauingenieurdisziplinen wie Brücken-, Tief-, Industrie- und allgemeinem Hochbau. Die materialtechnischen Parameter wie auch die probabilistischen Werte für die Belastungen unterliegen hier nur engen statistischen Streuungen. Das liegt daran, dass die künstlich hergestellten Baumaterialien strengen Qualitätssicherungsmassnahmen unterliegen und die Belastungen, z. B. im Brückenbau, aufgrund der Maximalgewichte pro Fahrzeug und der statistischen Verteilung sehr genau bekannt sind. Das sieht beim Gebirge, das durch natürliche geologische und tektonische Vorgänge entstanden ist, ganz anders aus. Noch immer gilt der Ausspruch der Tunnelbauer: „Vor der Ortsbrust ist es schwarz“.

Bild 1-2 Deutsche Bauweise nach Rziha [1-1]

Prof. Maidl formuliert kurz und treffend [1-2] die Bedeutung des Tunnelbaus wie folgt: „Der Tunnelbau vereinigt Theorie und Praxis zu einer eigenen Ingenieurbaukunst. Bei Wichtung der vielen Einflüsse steht je nach dem Stand der eigenen Kenntnisse einmal die Praxis, das andere Mal mehr die Theorie im Vordergrund. Der Ingenieurtunnelbau wird heute weitgehend von Bauingenieuren betrieben, doch sollte sich jeder bewusst sein, dass Statik- und Massivbaukenntnisse allein nicht ausreichen. Geologie, Geomechanik, Maschinentechnik und insbesondere Bauverfahrenstechnik gehören gleichwertig dazu.“

Die Bauverfahrenstechnik im Tunnelbau ist ein interaktives Fach, das die Einflüsse der Ausführung auf die Konstruktion mit der Erfassung der Bauzustände berücksichtigen muss.

Der Untertagebau ist eng mit der Entwicklung der Kulturvölker verbunden (Bild 1-3). Schon in der Vergangenheit wurden unterirdische Stollen und Verteidigungssysteme gebaut. Ferner wurde von alters her Bergbau betrieben. Der Tunnelbau hat seine Wurzeln im Bergbau. Die Abbautechnik, Maschinentechnik und Sicherungsmassnahmen des Hohlraums waren lange Zeit dem Bergbau entliehen. Noch heute ist das Abbauvolumen im Bergbau um Zehnerpotenzen höher als im Ingenieurverkehrstunnelbau. Zwischen beiden besteht eine technologische Wechselbeziehung, die auch in Zukunft im Rahmen des Know-how-Transfers intensiv genutzt werden sollte. Der Untertagebau ist jedoch erst in neuer Zeit eine Ingenieurdisziplin geworden.

Nachfolgend sollen chronologisch die wichtigsten Untertagebauwerke aufgelistet werden.

Bild 1-3 Tunnelbau in den vergangenen 5000 Jahren

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2500 v. Chr.	Die Königin Semiramis soll in Babylon unter dem Euphrat einen 1 km langen Tunnel vom Königspalast zum Baalstempel errichtet haben
1200 v. Chr.	Mykene: Stollen von der Quelle in die Stadt
1000 v. Chr.	Jubsiter leiten die Quelle von Gihon unter die Stadt Jerusalem
700 v. Chr.	Wasserversorgungsstollen in Jerusalem; Länge 540 m, Volumen 20’000 m^3 (mit Schlägel und Eisen gelöst!)
600 v. Chr.	1.6 km langer Trinkwasserstollen auf Samos
700 – 550 v. Chr.	Die Etrusker bauen unter ihren Städten ganze Stollensysteme zur Wasserversorgung und Kanalisation, aber auch Bergwerke
36 v. Chr.	Vom römischen Kaiser Octavian werden die ersten Strassentunnel bei Cumae und zwischen Neapel und Puteoli (Pozzuoli) durch Felsrücken, die bis zum Meer reichen, gebaut (690 m lang, 9 m breit und 25 m hoch; sie können heute noch benutzt werden)
Nach Chr.	Katakombenbauten in Rom
Im Mittelalter	Stollen für Verteidigungszwecke und Bergwerke zur Salz- und Metallgewinnung; in der Schweiz z. B. das Silberbergwerk in Obersaxen
1679	Tunnel am Languedoc-Kanal, wo zum ersten Mal Schiesspulver im Tunnelbau angewendet wurde (im Bergbau schon 1627)
1708	Tunnel Urner Loch bei Andermatt: Pietro Morettini hatte die Felswand mit dem Meissel durchschlagen, um die schwankende Brücke durch einen sicheren Weg zu ersetzen...

Inhaltsverzeichnis

• Cover
• Contents
• Title Page
• Copyright
• Vorwort
• 1 Einleitung
• 2 Geologische Vorerkundung
• 3 Beurteilung des Gebirges/Gebirgs- und Ausbruchklassifizierung
• 4 Untertagebauwerke und ihre Ausbrucharten
• 5 Vortriebsmethoden
• 6 Ausbruch durch Sprengvortrieb
• 7 Mechanischer Vortrieb mittels Bagger, Rippergeräten und Teilschnittmaschinen (TSM)
• 8 Sicherungsmassnahmen
• 9 Vortrieb mittels Schirmgewölbesicherungen
• 10 Transport des Ausbruchmaterials aus dem Tunnel
• 11 Temporäre Entwässerungs- und Absperrmassnahmen
• 12 Industrialisierung des konventionellen Vortriebs
• 13 Leistungsermittlung und Bauprogramm des konventionellen Vortriebs
• 14 Permanente Hauptabdichtung von Tunnelbauwerken
• 15 Hohlraumauskleidung
• 16 Arten von Tunnelvortriebsmaschinen
• 17 Tunnelbohrmaschinen (TBM)
• 18 Tunnelvortrieb mittels Hinterschneidtechnik
• 19 Wiederverwendung von Tunnelausbruchmaterial
• 20 Schildvortriebsmaschinen
• 21 Tübbingauskleidung
• 22 Steuerung von Vorschubpressenkräften und Setzungen sowie Vortriebsrichtung
• 23 Baulüftungen von Untertagebauwerken
• 24 Vorbereitung und Logistik einer Tunnelbaustelle
• 25 Sicherheitsmanagement im Untertagebau
• 26 Projektabwicklungsformen als Schlüssel zu Innovation, Risikomanagement sowie Kostenoptimierung
• Literaturverzeichnis
• Stichwortverzeichnis