25 Tunnelentwurf
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Seit mehreren größeren Brandereignissen in Straßentunneln um die Jahrtausendwende wurde sowohl im baulichen Brandschutz als auch in der sicherheitstechnischen Tunnelausstattung viel getan. Zahlreiche technische Neu- und Weiterentwicklungen haben seither Eingang in Bau, Ausstattung und Betrieb der Bauwerke gefunden. Im europäischen aber auch weltweiten Vergleich befinden sich die deutschen Straßentunnel auf einem sehr hohen Sicherheitsniveau. Dies ist auch erforderlich, da Deutschland als Transitland in Europa über ein hoch belastetes Straßennetz verfügt. Tunnel stellen neuralgische Punkte in diesem Netz dar. Daher gilt es hier für den Nutzer ein Optimum an Sicherheit zu gewährleisten, gleichzeitig aber auch den Verkehrsfluss so gering wie möglich durch Wartungs- bzw. Sperrzeiten der Tunnelröhren zu behindern. Mit diesem Tagungsband sollen die neuesten Erkenntnisse sowohl zur Verkehrssicherheit in Tunneln, als auch zur bautechnischen Sicherheit für die Verwendung in der alltäglichen Praxis nähergebracht werden. Nach einem allgemeinen Überblick zum Stand von aktuellen Bau-, Instandsetzungs- und Nachrüstungsmaßnahmen im deutschen Fernstraßentunnelnetz erfolgt die Vorstellung zweier Forschungsprojekte der BASt, dem europäischen Projekt ECOROADS, welches die Harmonisierung zwischen Sicherheitsanforderungen auf freier Strecke und Tunnel zum Inhalt hat, und dem BASt-eigenen Modelltunnel, in dem längsneigungsabhängige, modellmaßstäbliche Rauchausbreitungsuntersuchungen vorgenommen wurden. Im zweiten Themenbereich, der die Grundlagen für Planung und Bau fokussiert, wird auf die Fortschreibung des betriebstechnischen Regelwerks, die Entwicklung von Kostenansätzen für Straßentunnel sowie auf planerische Herausforderungen im Rahmen des Großprojektes Fehmarnbeltquerung eingegangen. Im Themenschwerpunkt Tunnelbetrieb werden neue Erkenntnisse zur Belüftung von Straßentunneln bei Stau und den damit verbundenen Auswirkungen auf die Risikoanalyse vorgestellt. Außerdem gibt es ein Update zum Stand der Umsetzung des Pilotprojektes Tunnelsimulator aus zwei Bundesländern. Im Rahmen der Beiträge zu Instandsetzung und Nachrüstung von Straßentunneln wird dem aktuellen Thema des Umgangs mit Chloridbelastungen von Tunnelinnenschalen nachgegangen, sowie den Besonderheiten bei der Nachrüstung mehrerer Bestandstunnelbauwerke der Stadt Köln mit Schwerpunkt auf dem Stadtautobahntunnel Kalk. An dieser Stelle sei allen Autoren gedankt, die zu dieser gelungenen Veranstaltung beigetragen haben.
Im europäischen aber auch weltweiten Vergleich befinden sich die deutschen Straßentunnel auf einem sehr hohen Sicherheitsniveau. Dies ist auch erforderlich, da Deutschland als Transitland in Eu-ropa über ein hoch belastetes Straßennetz verfügt. Tunnel stellen neuralgische Punkte in diesem Netz dar. Daher gilt es hier für den Nutzer ein Optimum an Sicherheit zu gewährleisten, gleichzeitig aber auch den Verkehrsfluss so gering wie möglich durch Wartungs- bzw. Sperrzeiten der Tunnelröhren zu behindern. Neben der Sicherheit und Verfügbarkeit wird erwartet, dass insbesondere auch die Themen Digitalisierung, Nachhaltigkeit und Wirtschaftlichkeit in der Zukunft den Tunnelbau- und Tunnelbetrieb (weiter) prägen werden.
Mit diesem Tagungsband sollen die neuesten Er-kenntnisse zu diesen Zukunftsthemen für die Ver-wendung in der alltäglichen Praxis nähergebracht werden.
Nach einem allgemeinen Überblick zum Stand von aktuellen Bau-, Instandsetzungs- und Nachrüs-tungsmaßnahmen im deutschen Fernstraßentunnelnetz wird im zweiten Themenblock, der den Be-trieb und die Erhaltung fokussiert, auf den Einsatz von BIM im Rahmen der Tunnelerhaltung sowie den Einfluss von Nutzungsdauern auf die Lebenszykluskosten von Tunneln eingegangen. Der Themenblock schließt mit der Vorstellung der geothermischen Nutzung von Bergwasser für einen nachhaltigen Betrieb am Grenztunnel Füssen.
Im Rahmen der Beiträge zum Themenblock „Erhöhung der Verfügbarkeit“, werden Konzepte vorge-stellt, die es ermöglichen die Verfügbarkeit im Ereignisfall zu optimieren sowie die gesamtwirtschaft-lichen Auswirkungen infolge von Modernisierungen beziehungsweise Erneuerungen strategisch zu berücksichtigen. Der letzte Beitrag in diesem Block stellt Ihnen das Ergebnis des Forschungsprojektes „RITUN – Resiliente Straßentunnel“ vor.
Abgerundet wird die Veranstaltung mit Praxisbeispielen zur Nachrüstung von Tunneln unter Verkehr. Am Engelbergbasistunnel bei Leonberg und am Rathaustunnel in Lüdenscheid wird die Bandbreite zu treffender Maßnahmen für die Aufrechterhaltung eines sicheren Verkehrsablaufs während umfang-reicher Ertüchtigungsarbeiten dargestellt.
An dieser Stelle sei allen Autoren gedankt, die zu dieser gelungenen Veranstaltung beigetragen haben.
Im Vorhaben wurde das Verhalten von offenporigen Fahrbahnbelägen in Bezug auf brennbare Flüssigkeiten im Vergleich zu dichten Fahrbahnoberflächen untersucht und analysiert inwieweit die speziellen Eigenschaften von offenporigen Asphalten Auswirkungen auf die Sicherheitsannahmen für risikobasierte quantitative Untersuchungen für Tunnel oder teilgeschlossene Bauwerke aufweisen. Hierzu wurden umfangreiche Versuche an großflächigen Versuchsplatten (80 x 80 cm) mit Deckschichten aus offenporigem Asphalt (PA) und Splitt-Mastix-Asphalt (SMA) sowie ergänzende CFD-Berechnungen durchgeführt. Die Ermittlung des Durchfluss- und Ausbreitverhaltens erfolgte bei konstanter Flüssigkeitsaufgabe auf die Versuchsplatten und Fassung der an den Plattenseiten austretenden Flüssigkeit in Messzylindern. Über diese wurde für die verschiedenen Deckschichten das zeitliche und räumliche Ausbreitungsverhalten analysiert. Die Ermittlung des Einflusses einer Oberflächenneigung erfolgte durch Variation der Ableitversuche mit zwei unterschiedlichen Plattenneigungen. Die Ermittlung des Brandverhaltens erfolgte in zwei Schritten. In einer ersten Versuchsreihe wurden auf die Platten verschiedene zuvor definierte Kraftstoffmengen aufgegeben und anschließend gezündet, so dass bei Brandbeginn beim SMA ein übersättigter und beim PA, je nach Aufgabemenge ein übersättigter, gesättigter oder teilgesättigter Asphalt vorlag. In der zweiten Versuchsreihe erfolgte während des Abbrands ein kontinuierlicher Benzinzufluss. Die Analyse der umfangreichen Daten aus den Versuchsreihen ermöglichte die Bereitstellung detaillierter Eingangsgrößen für die CFD-gestützte Modellierung und Validierung des zeitlichen und räumlichen Ausbreitungs- und Abbrandverhaltens für die betrachteten Fahrbahnoberflächen. In der sich anschließenden Wirkungsanalyse wurden die sich aus der Modellierung ergebenden Auswirkungen der unterschiedlichen Fahrbahnoberflächen (PA und SMA) ermittelt und unter Anwendung des Verfahrens für die Bewertung der Sicherheit von Straßentunneln miteinander verglichen. Der quantitative Sicherheitsvergleich zeigte, dass offenporige Asphaltbeläge in Einhausungs- und Tunnelbauwerken unter risikoorientierten Gesichtspunkten nicht ungünstiger als dichte Fahrbahnbeläge einzustufen sind.
Mit der Fortschreibung des europäischen Übereinkommens über die internationale Beförderung gefährlicher Güter auf der Straße (ADR) von 2007 wurden Tunnelbeschränkungscodes für Gefahrgüter eingeführt. Hierdurch wurde die Grundlage für eine europaweit einheitliche Regelung im Falle einer Beschränkung von Gefahrguttransporten durch Straßentunnel geschaffen. Unter Berücksichtigung der EG-Tunnelrichtlinie und den RABT 2006 wurde für Deutschland ein Verfahren entwickelt, mit dem die Gefahrgutrisiken für alle Straßentunnel auf Basis von Risikoanalysen einheitlich bewertet und Einschränkungen für den Gefahrguttransport durch definierte Tunnelkategorien kenntlich gemacht werden können. Das entwickelte Verfahren zur risikobasierten Kategorisierung von Straßentunneln nach ADR 2007 ist zweistufig aufgebaut. In einer Grobbeurteilung (Stufe 1) wird in zwei Schritten ein Tunnel dahingehend überprüft, ob dieser für sämtliche Gefahrguttransporte freigegeben werden kann. Werden die Gefahrgutrisiken mit den einfachen Modellen der Stufe 1 als zu hoch bewertet, muss der Tunnel vertieft untersucht werden. Bei dieser vertieften Analyse (Stufe 2a) wird zunächst das intrinsische Risiko des Tunnels mit detaillierten Modellen und verfeinerten Eingangsdaten bestimmt. Liegt das ermittelte Risiko unterhalb einer auf Erfahrungswerten beruhenden Vergleichskurve, kann der Tunnel für sämtliche Gefahrguttransporte freigegeben werden. Liegt die Risikokurve oberhalb der Vergleichskurve, wird der Tunnel nach Bedarf kategorisiert, d. h. er wird für Transporte von Gefahrgüter mit gleichem Tunnelbeschränkungscode gesperrt bzw. es werden bauliche, technische oder organisatorische Maßnahmen getroffen um das Risiko zu reduzieren. Im Falle einer Beschränkung sind die betroffenen zu transportierenden Güter über eine Umfahrungsstrecke zu leiten. Für die Umfahrungsstrecke ist in der Stufe 2b nachzuweisen, dass sie die aus der Umlegung resultierenden zusätzlichen Gefahrgutrisiken aufnehmen kann. Für die einzelnen Stufen bzw. Schritte wurden die Randbedingungen hergeleitet und definiert. Anforderungen an Modelle, Daten und Anwendung sind im Bericht mit Anhang so beschrieben, dass eine einheitliche Umsetzung möglich ist. Das entwickelte Verfahren ist als Hilfsmittel für die Kategorisierung anzuwenden. Die in der Methodik festgelegten Grenzwerte bzw. Vergleichskurven zur Beurteilung des Handlungsbedarfs wurden auf Grundlage der existierenden vergleichsweise geringen Datenbasis hergeleitet und festgelegt. Es wird empfohlen, die aus der Anwendung gewonnenen Erfahrungen für eine Fortschreibung des Verfahrens nach der Einführungsphase und ggf. nach weiteren 5 bis 8 Jahren zu nutzen.
Die Untersuchungen haben ergeben, dass sich die von den ZTV-ING Teil 5 vorgegebene Brandkurve mit ihrer Temperatur in der Vollbrandphase und ihrer Branddauer innerhalb der Bandbreite verwendeter Brandkurven befindet und als einzige für Straßentunnel eine Abkühlungsphase vorgibt. Von Änderungen der Brandkurve in den ZTV-ING Teil 5 wäre zu allererst die Tunnelschale betroffen. Zusätzlich wären gesonderte Untersuchungen des Brandverhaltens von Fugenkonstruktionen erforderlich. Außerdem wäre die Eignung von Dübeln für Lüfter und Brandschutzplatten für eine geänderte ZTV-ING-Kurve nachzuweisen. Der Schwerpunkt des Projektes lag in der Auswertung von Brandversuchen in Tunneln. Dabei konnte herausgearbeitet werden, dass die Versuchsobjekte hinsichtlich ihrer baulichen und betrieblichen Verhältnisse nicht mit modernen Straßentunneln vergleichbar sind und die erhaltenen Temperatur-Zeit-Verläufe nicht für die Bemessung des baulichen Brandschutzes von Straßentunneln herangezogen werden können. Damit liegen bisher keine wissenschaftlich abgesicherten Erkenntnisse vor, die eine Änderung der bisherigen ZTV-ING-Kurve rechtfertigen. Mit Verweis auf die Empfehlungen von ITA/PIARC wird empfohlen, in Fällen, bei denen ein lokales Versagen des Tunnels infolge Brand zu einem Verlust des gesamten Tunnels und/oder zu einem Verlust der Standsicherheit eines angrenzenden Bauwerkes führt, ein höheres Niveau für den Schutz des Tunnelbauwerkes als bisher vorzusehen.
Zur Erprobung der Umsetzung des Eurocode 7 und der weiteren neuen europäischen Normen im Grund- und Tunnelbau wurden Vergleichsberechnungen nach DIN EN 1997-1/DIN 1054 (2010) und nach bisher gültiger DIN 1054 (2005) durchgeführt. Als Beispiele wurden ein Spundwandverbau, eine Winkelstützwand, ein Tunnel in offener Bauweise, ein Tunnel in geschlossener Bauweise und eine Pfahlgründung berechnet. Die Untersuchungen haben im Wesentlichen die folgenden Ergebnisse gezeigt: - Für den betrachteten Spundwandverbau und die untersuchte Winkelstützwand ergeben sich auf der Grundlage der neuen europäischen Vorschriften die gleichen Bauteilabmessungen und Querschnittsausnutzungen wie nach den bisherigen nationalen Normen. - Für Tunnelbauwerke in offener und in geschlossener Bauweise ergeben sich aufgrund der gemäß DIN EN 1992-2 nun größer anzusetzenden Elastizitätsmoduln des Betons geringfügig höhere erforderliche Bewehrungsquerschnitte als bisher. - Bei Pfahlbemessungen ergeben sich geringfügig abweichende Bemessungswiderstände der äußeren Tragfähigkeit der Pfähle. - Durch die Einführung der neuen europäischen Vorschriften für Bauwerke des Grund- und Tunnelbaus ergeben sich insgesamt nur geringe technische Änderungen bei den zu führenden statischen Nachweisen und auch nur geringe Änderungen in den Bemessungsergebnissen gegenüber den bisherigen deutschen Normen. Die Umstellung auf die europäischen Normen beinhaltet im Grund- und Tunnelbau daher keine gravierenden Änderungen des Sicherheitsniveaus oder der Kosten. Zusammenfassend ist festzustellen, dass die ZTV-ING, Teil 2, Abschnitte 1, 2 und 4 sowie Teil 5, Abschnitte 1 und 2 und die zugehörigen fachspezifischen europäischen und deutschen Vorschriften für die hier untersuchten Bauwerke eine hinreichende Grundlage für die Umsetzung der Eurocodes im Grund- und Tunnelbau sind.
Kunststoffdichtungsbahnen sind empfindlich gegenüber mechanischen Beanspruchungen. Zum Schutz vor Beschädigungen wird zwischen der Spritzbetonschale und Dichtungsbahn ein Geotextil eingebaut. Die derzeit gültigen Regelwerke enthalten keine Vorgaben zur Prüfung der Wirksamkeit von Schutzschichten. Daher wurden Versuchsserien durchgeführt, in denen Dichtungsbahnen und Geotextilien zur Simulation der Wirkungen von hervorstehenden Körnern im Spritzbeton mit einem pyramidenförmigen Stempel lokal auf Druck und in einem Teil der Versuche zusätzlich auf Zug beansprucht wurden. Zudem wurden Flächendruckversuche in einem Brunnentopf mit einer mit Zuschlagkörnern beklebten Abdichtungsrücklage ausgeführt. Die Untersuchungen ergaben: a) Bei allen gewählten Versuchsvarianten und Randbedingungen nahm die Schutzwirksamkeit mit zunehmender Geotextilmasse signifikant zu. Ungeschützte Kunststoffdichtungsbahnen wurden im Vergleich dazu unzulässig deformiert. b) Die Eigenschaften und die Dicken der Dichtungsbahnen erwiesen sich ebenfalls als wesentlich. So waren bei Druckversuchen mit gleicher Druckbelastung und Schutzschicht die Einkerbungen in die PVC-Bahn tiefer als die in die PE-Bahnen. c) Bei allen untersuchten Materialkombinationen blieben die Dichtungsbahnen trotz der extremen Last- und Verformungsbeanspruchungen dicht, wiesen aber zum Teil erhebliche punktuelle Einkerbungen durch Zuschlagkörner auf. d) Mit zunehmender Geotextilmasse wurden erwartungsgemäß geringere Einkerbungen in die Kunststoffdichtungsbahn gemessen. e) Die Einkerbungen in die Kunststoffdichtungsbahn waren bei einem Endlosfaservliesstoff geringer als bei einem Stapelfaservliesstoff. - Die Versuchsergebnisse zeigen, dass eine geeignete Schutzschicht zwingend notwendig ist, um unzulässige Beschädigungen der Kunststoffdichtungsbahnen zu vermeiden.
Im Nahbereich hochbelasteter Bundesfernstraßen sind Überschreitungen von Immissionsgrenzwerten um mehr als 15 dB(A) möglich, die durch normal hohe Lärmschutzwände nicht mehr abgebaut werden können. Zur Vermeidung ästhetisch nicht befriedigender und bautechnisch schwer beherrschbarer Lärmschutzwandhöhen kommt als aktive Schallschutzmaßnahme nur noch die Führung von Straßen in teuren Lärmschutztunneln oder Einhausungen in Frage. Das Bemühen, die Kosten eines solchen Lärmschutzes zu minimieren, kann aber zu einer Reihe von Lärmproblemen führen. Im Beitrag wird auf die Probleme "Schalldämmung", "Überstandslänge" und "erhöhte Emission durch das Tunnelportal" eingegangen.
Das Gesamtziel des Forschungsprojektes zum "Brand- und Abplatzverhalten von Faserbeton in Straßentunneln" war die Verifizierung und Validierung des Einflusses von Kunststofffasern auf das Brand- und Abplatzverhalten von Tunnelbetonen unter der besonderen Berücksichtigung der spezifischen Randbedingungen in Straßentunneln. Dabei sollte im Rahmen der Forschungsarbeit eruiert werden, inwieweit sich mit Kunststofffasern modifizierte Tunnelbetone, die entsprechend ihrer Betonzusammensetzung den gültigen Vorgaben der ZTV-ING zusammengesetzt werden sollten, für den Straßentunnelbau als bauliche Brandschutzmaßnahme eignen. Es wurde untersucht, welche Fasergehalte und Fasergeometrien in den Tunnelbetonen einzusetzen sind, damit ein explosionsartiges Abplatzen des Betons infolge der Brandbeanspruchungen mit dem schnellen Temperaturanstieg und den hohen Maximaltemperaturen verhindert werden kann. Des Weiteren wurden experimentell verifiziert, ob bei den festgelegten Betonen ohne Faserzugabe und fasermodifizierten Tunnelbetonen, die zulässige Maximaltemperatur von 300-°C in Höhe der tragenden Bewehrung (vergleiche ZTV-ING, Teil 5 (Tunnelbau), Abschnitt 1, 10.3.2) nicht überschritten wird. Ein weiteres Ziel der Arbeit war es, herauszufinden, ob die in der ZTV-ING, Teil 5, Abschnitt 2, 10.3.2 (2), geforderte verzinkte Mattenbewehrung (N94) für die offene Bauweise als wirksamer Schutz gegen auftretende Abplatzungen infolge einer einseitigen Temperaturbeanspruchung durch die ZTV-ING-Kurve angesetzt werden kann. Diese zuvor beschriebenen grundlegenden Zielstellungen wurden vor allem an großmaßstäblichen Bauteilversuchen experimentell untersucht. Dabei wurden entsprechend der Trennung in ZTV-ING für Tunnelbauwerke in die geschlossene Bauweise (ZTV-ING, Teil 5, Tunnelbau, Abschnitt 1 und in die offene Bauweise (ZTV-ING, Teil 5, Tunnelbau, Abschnitt 2) angepasste Tunnelbetonrezepturen und verschiedene Probekörpergeometrien untersucht. Mit der Durchführung des Forschungsprojektes sollte insgesamt der Nachweis des positiv wirksamen Einflusses von PP-Fasern auf das Brand- und Abplatzverhalten von ZTV-ING-konformen Tunnelbetonen für die Anwendung in Straßentunneln erbracht und zudem im Großversuch gezeigt werden, dass es möglich ist, fasermodifizierte Tunnelbetone mit Praxis üblichen Einbaukonsistenzen zielsicher herzustellen.
Straßentunnel mit integriertem Rettungsweg: Konstruktions- und betriebliche Sicherheitsaspekte
(2009)
Infolge der seit 2003 in den RABT formulierten schärferen Sicherheitsanforderungen ist für Gegenverkehrstunnel bei Neuplanungen und bautechnischen Nachrüstungen häufig die Anordnung eines parallel zur Hauptröhre verlaufenden Rettungsstollens erforderlich. Untersuchungen der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) zur Wirtschaftlichkeit verschiedener aktueller und auch neuer Querschnittsvarianten haben gezeigt, dass insbesondere ein Querschnitt mit integriertem begehbarem Rettungsweg unter bestimmten Voraussetzungen Kostenvorteile gegenüber der Regellösung mit parallelem Rettungsstollen bietet. In ergänzenden Untersuchungen wurden konstruktive und sicherheitstechnische Detailfragen für einen Regelquerschnitt mit integriertem Rettungsweg untersucht und bewertet und ein Kostenvergleich mit der Regellösung mit parallelem Rettungsstollen wurde durchgeführt.