Fachbeiträge & Interviews
Dienstag, 28. Januar 2020
Ausgabe 6735 | Nr. 28 | 19. Jahrgang
Autor: Dipl. Ing. Matthias Gerold, Dr. Ing. Petra Höß
Herausgeber: Harrer Ingenieure VBI mbH email-weiterempfehlendruckansicht

Besonderheiten beim Bau von Tunneln ovaler Geometrie - Teil 3/3

# 14.01.2002

Teil 3 - Ursulaberg-Tunnel, Zwangsbeanspruchung, Dichtheit, Betontechnologie, Geologische Situation mit anschließender Zusammenfassung der Besonderheiten der aufgezeigten Bauweisen. Der Beitrag endet mit diesem Teil. Die Redaktion von bauingenieur24 bedankt sich bei der Harrer Ingenieure VBI mbH.

3.2 Zwangsbeanspruchungen

Abb. 9 - B 312 - Ursulaberg-Tunnel Pfullingen - Betonieren aus einem Guß Abb. 9 - B 312 - Ursulaberg-Tunnel Pfullingen - Betonieren aus einem Guß

Maßgebend für die Herstellung der Portale und Tröge des Tunnels in offener Bauweise war die Gewährleistung der Grundwasserumläufigkeit im Endzustand. Die Querschnitte waren daher in "wasserundurchlässigem" Beton als "Weiße Wanne" in monolithischer Bauweise mit einer Arbeitsfuge zwischen Sohle und Gewölbe herzustellen. Die Blocklängen betrugen i.M. 10,0 m. Um beim Erhärten des Betons geringe Zwangsbeanspruchungen durch den bereits erhärteten Einkornbeton (rauhe Oberfläche) zu erhalten, wurde auf die Filterschicht Magerbeton aufgebracht und abgezogen (glatte Oberfläche). Anstelle der Magerbetonschicht wäre auch eine Drain-Matte denkbar. Auf diese glatte Oberfläche wurde anschließend eine reißfeste zweilagige PE-Folie aufgebracht. Geringere Reibungsbeiwerte sind möglich bei Einsatz geschmierter Folien zwischen Sauberkeits-
schicht und Sohle. Die Zwangsbeanspruchungen aus Dehnungsbehinderung wurden für einen Reibungsbeiwert m = 1,0 nachgewiesen. Die Stahleinsparung bei dieser Maßnahme lag bei ca. 50% entsprechend ca. 12 cm²/m kreuzweise oben und unten. Tabelle 2 zeigt die Ansätze zur Temperaturbeanspruchung der Querschnitte. In Kombination mit Beanspruchungen aus Last wurde bei der Überlagerung mit den Schnittgrößen aus Temperatur ein Teilsicherheitsbeiwert von 1,0 berücksichtigt. Zwangsbeanspruchungen aus Temperatur, z.B. zwischen Wand und Bodenplatte, wurden nach SPRINGENSCHMID et al. 1988 abgemindert. Der Temperaturverlauf im Querschnitt kann linear angesetzt werden. Die konstante Tunnelumgebungstemperatur von + 10 °C wird im Erdreich in einem Abstand von 2,0 m von der Außenseite angesetzt, wenn das Bauteil ohne Kontakt zum Grundwasser liegt. Liegt das Bauteil im Grundwasser, ist die Temperatur von + 10 °C an der Außenseite des Bauteils anzusetzen. Für besondere Bauwerksverhältnisse (z.B. Tunnelbereiche oder Bauzustände ohne bzw. mit geringer Überdeckung (Bauzustände ohne Straßenoberbau), sind die Temperaturen und Temperaturverläufe in Anlehnung an ZTV Tunnel Teil 2 festzulegen. Die Zwangsbeanspruchung aus dem Temperaturunterschied im Querschnitt sowie aus unterschiedlichen Schwerpunkttemperaturen ist nachzuweisen.

3.3 Dichtheit

Tabelle 2 - Temperatureinwirkungen Tabelle 2 - Temperatureinwirkungen

Bei Tunneln in offener Bauweise wird der Nachweis der Wasserundurchlässigkeit i.d.R. durch die Beschränkung der Rissbreite, z.B. auf wcal = 0,15 oder 0,10 mm, erbracht. Rissweiten dieser Größenordnung sind selbstheilend. In Tragrichtung (Tunnelquerschnitt) kann im Bereich großer Biegemomente der Nachweis auch unter Berücksichtigung einer ausreichend großen Druckzonenhöhe unter Gebrauchslast im Zustand II geführt werden (vgl. DAfStb-Heft 400). In diesen Fällen genügt eine Beschränkung der Rissbreite, z.B. auf wcal = 0,20 mm. Neben der Beschränkung der Rissbreiten ist der Ausführung der Raumfugen besondere Aufmerksamkeit zu schenken. Abb. 10 und Abb. 11 zeigen beispielhaft die Ausbildung, wie sie in den Entwürfen der Regierungspräsidien Freiburg und Karlsruhe vorgesehen wird. Sinnvoll ist auch die Vorgabe einer gewissen Mindestbewehrung entsprechend Tabelle 3. Zur Abdichtung von bergmännisch aufgefahrenen Tunneln wird auf MAIER, KUHNHENN 1996 verwiesen.

3.4 Betontechnologie

Abb. 10 - B 31 - Kappler Tunnel, Freiburg - Querschnitt Abb. 10 - B 31 - Kappler Tunnel, Freiburg - Querschnitt

3.4.1 Allgemeines

Seitens der bauausführenden Firma sind rechtzeitig vor Baubeginn ein Bauablaufplan, der Betoniervorgang im Schalwagen sowie Angaben zur Nachbehandlung vorzulegen.


3.4.2 Frühfestigkeit

DIN 1164 Teil 1 fordert, daß der Erstarrungsbeginn für Zemente der Festigkeitsklassen 32,5 und 42,5 nicht früher als eine Stunde nach dem Herstellen der Mischung (Anmachen) eintreten darf. Bei Tunneln sollte, analog zu den Betonfahrbahndecken, das Erstarren des Zementes frühestens zwei Stunden nach dem Anmachen beginnen. Das Erstarrungsende darf nach DIN 1164 Teil 1 frühestens zwölf Stunden nach dem Anmachen beendet sein. Die sich daran anschließende Verfestigungsphase des Zementes wird "Erhärten" genannt. Die Materialkennwerte des jungen Betons sind für den ersten Tag nach dem Erhärtungsbeginn weder geregelt noch allgemein bekannt, können aber durch Versuche nachgewiesen werden. R-Zemente haben eine hohe Anfangsfestigkeit: Für einen CEM 32,5 R beträgt die Druckfestigkeit nach 2 Tagen mindestens 10 N/mm². Nach 3 Tagen und 20°C (5°C) beträgt die Druckfestigkeit ca. 50% bis 60% (45% bis 60%) von ßw28 für einen CEM 32,5 R bzw. ca. 70% bis 80% (60% bis 75%) von ßw28 für einen CEM 42,5 R. Die Zugfestigkeit nimmt im Anfangsstadium der Erhärtung des Betons zwar mit steigendem Betonalter kontinuierlich zu, die Dehnfähigkeit nimmt jedoch während des Erstarrens deutlich ab und durchläuft bei einem Betonalter zwischen 6 und 20 Stunden ein Minimum, um dann wieder auf für den erhärteten Beton charakteristische Werte anzusteigen.


3.4.3 Verformungen

Bei dem betontechnologisch schwierigen Ursulaberg-Tunnel Pfullingen erschien es entsprechend den Vergleichsberechnungen des Prüfingenieurs sinnvoll, den Zustand I nach dem Ausschalen möglichst lange zu erhalten. Eine Möglichkeit hierfür war, die ausgeschalten Ulmenbereiche vor Absenken der Innenschalung von außen gegen den Verbau abzustützen. Ferner wäre eine Mindest-Betondruckfestigkeit von 10 N/mm² und eine Mindestzugfestigkeit von 1,3 N/mm² erforderlich gewesen. Dabei wurde ein Ausschalen nach 24 Std. unterstellt. Grundsätzlich gilt: Können die erforderlichen Festigkeiten nicht durch Versuche nachgewiesen werden, ist der Scheitel flächig abzusprießen unter Beachtung der Durchfahrtsmöglichkeit für Lkw.

Zum Vergleich:
Üblicherweise wird in der bergmännischen Bauweise die Innenschalung ab einer Frühfestigkeit von 5 N/mm2 leicht abgelassen. Dieser Wert ist z.B. mit dem Schmidtschen Hammer ermittelbar (Stirnschalung öffnen) und stellt sich, entsprechend unseren Erfahrungen, frühestens nach 12 Stunden (= Beginn Verfestigungsphase) ein.

3.5 Geologische Situation

Abb. 11 - B 462 - Tunnel Gernsbach - Querschnitt und Ausbildung der Raumfugen Abb. 11 - B 462 - Tunnel Gernsbach - Querschnitt und Ausbildung der Raumfugen

Der Baugrubenaushub des Ursulaberg-Tunnels schneidet bis zu einer Mächtigkeit von 17 m in den Urselberg ein. Sein Tonmergelstein des Braunjura wird bereichsweise von bis zu 12 m mächtigen Hangschutt- und Hanglehmdecken überlagert, die sich aus umgelagerten Rutschmassen zusammensetzen. Diese Lockergesteinsdecke ist durch mehrfaches Übereinanderrutschen stark gestört und daher besonders empfindlich. Entsprechend dem Ingenieurgeologischen Gutachten des Geologischen Landesamtes (GLA) vom 02.10.1982 weist sie überwiegend "kein stabilisierendes Korngerüst" auf, in die kiesigen Bachablagerungen können "humose, organische Mutten sowie weichplastische Verwitterungsmaterialien "eingelagert" sein, sie ist in den Verwitterungsstufen V5, V4, und V3 "bei unsachgemäßen Massenverlagerungen und unter Niederschlags- bzw. Hangwassereinfluß rutschgefährdet" sowie eine "Reaktivierung alter Rutschschollen" ist möglich. Ein stationärer Grundwasserspiegel existierte, nach der hydrogeologischen Beurteilung, nicht. Jedoch wurde auf einen stark vom Niederschlag abhängigen Wasseranfall und einen entsprechend schwankenden Grundwasserstand seitens des GLA hingewiesen. Als Verbaumaßnahmen für den in offener Bauweise zu erstellenden Ursulaberg-Tunnel kamen Bohrpfähle mit dazwischenliegender Spritzbetonsicherung sowie mit Spannankern rückverankerte Spritzbetonwände zur Ausführung. Zur Standsicherheit dieser tiefen Baugrube im Bereich fossiler Rutschmassen wird in GEROLD et al. 2000 berichtet.

4. Zusammenfassung

Tabelle 3 - Vorschlag zur Mindestbewehrung von Bauwerken  gegen drückendes Wasser Tabelle 3 - Vorschlag zur Mindestbewehrung von Bauwerken gegen drückendes Wasser

Für Tunnel ovaler Geometrie wurden, anhand von zwei Beispielen eines bergmännisch und eines in offener Bauweise hergestellten Tunnels, einige der Besonderheiten hinsichtlich der Bauweisen, der Beanspruchungen, zur Betontechnologie sowie Aspkete der Geotechnik dargestellt. Sowohl der enorme Verkehrszuwachs als auch die immer dichter werdende Bebauung zwingen zu zunehmend komplizierteren Bauweisen. Neue Wege sind zu beschreiten - von den Bauämtern, den Tragwerksplanern, den Prüfingenieuren/Sachverständigen wie von den ausführenden Firmen. Die Beispiele zeigen, warum nur Firmen und Ingenieurbüros mit entsprechender Erfahrung mit der Übernahme entsprechender Bauleistungen beauftragt werden sollten. Denn wie sagte sinngemäß bereits VITRUV in

DAS MUSS EIN GUTER BAUMEISTER KÖNNEN:

>>Das Wissen des Baumeisters umfasst verschiedenartige wissenschaftliche und mannigfaltige elementare Kenntnisse. ... Baumeister, die unter Verzicht auf wissenschaftliche Bildung sich nur um handwerkliche Dinge bemühten, gelangten nicht zu entsprechender Meisterschaft. Andererseits scheinen diejenigen, die sich nur auf Berechnungen und auf ihre wissenschaftliche Ausbildung verließen, lediglich einem Schatten, nicht aber der Sache nachgejagt zu sein. Diejenigen aber, die sich beides gründlich angeeignet haben, gelangten schneller und erfolgreicher an ihr Ziel. ... Der Baumeister muß begabt und bereit zu wissenschaftlich-theoretischer Schulung sein. ... Er muß im schriftlichen Ausdruck gewandt sein, des Zeichenstiftes kundig, in der Geometrie ausgebildet, mancherlei geschichtliche Ereignisse kennen, ... juristische Entscheidungen kennen, Kenntnisse in der Sternkunde und vom gesetzmäßigen Ablauf der Himmelserscheinungen besitzen.<<

5. Literatur

- DIN 1045 Stahlbeton- und Spannbetonbau - Bemessung und Ausführung (07/88)

- DAfStB-Heft 400 Erläuterungen zu DIN 1045 Beton- und Stahlbeton (07/88) Deutscher Ausschuß für Stahlbeton (Hrsg.)

- ADAM, E.; BAHM, K.; GEROLD, M.; HADISAPUTRO, A. 1999 Besonderheiten beim Bau von unterführten Verkehrswegen. Eigenverlag Harrer Ingenieure

- BAHM, K.; GEROLD, M. 1996 Vom Ingenieurbau bis zur Geotechnik -Besonderheiten beim Bau von unterführten Verkehrswegen. In: Bauingenieur, H. 9, S. A15 - A18

- DUDDECK, STÄDING 1990 Zur Berechnung überschütteter Tunnel. In: Felsbau - Fachzeitschrift für Geomechanik und Ingenieurgeologie im Bauwesen und Bergbau, Jhg. 8, H. 3, S.

- GEROLD, M.; BAHM, K. 1997 Besonderheiten beim Bau von unterführten Verkehrswegen. 1. Kolloquium "Bauen in Boden und Fels" Technische Akademie Esslingen

- GEROLD, M. 1999 Standsicherheit tiefer Baugruben am Beispiel Ursulaberg-Tunnel in Pfullingen. Fortbildungsseminar für Prüfingenieure für Baustatik 1999 Verwaltungs- und Wirtschaftaklademie Stuttgart (Hrsg.)

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