25 Tunnelentwurf
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.
Im Tunnelbau gibt es derzeit keine praxisorientierten Prüfverfahren zur Beurteilung der Wirksamkeit geotextiler Schutzschichten für Abdichtungen aus Kunststoffdichtungsbahnen. Die Regelwerke enthalten nur generelle Angaben. Die Auswahl und der Einsatz erfolgten aufgrund der generellen Vorgaben und nach der Einschätzung und Erfahrung der planenden Ingenieure. Durch das Forschungsvorhaben sollen bisher fehlende Kenntnisse über das Verhalten geotextiler Schutzschichten bei unterschiedlichen Beanspruchungen mittels eines praxisnahen Prüfverfahrens erlangt werden. Bisher ungeklärt waren Fragen der mechanischen Alterung und der Ausdünnung der Materialien bei Schub- und mehraxialer Beanspruchung in der Bauphase und später während des Betriebes. Die beteiligten Institute und die durchgeführten Versuchsreihen mit den Versuchseinrichtungen werden beschrieben. Die Versuchsergebnisse zeigen hinsichtlich der Schutzwirkung auch Wechselwirkungen zwischen Kunststoffdichtungsbahn und geotextiler Schutzschicht auf. Versuche ohne Schutzschicht ergaben erhebliche Beschädigungen an den Dichtungsbahnen. Es soll in keinem Fall aus Kostengründen auf eine geotextile Schutzschicht verzichtet werden. Die Schutzwirkung nimmt mit zunehmender Dicke der Schutzschicht zu. Einzelheiten werden mitgeteilt. Die einschlägigen Regelwerke werden zurzeit überarbeitet und die Versuchsergebnisse mit den bisherigen Erkenntnissen zusammengestellt.
Der Verkehrsablauf in Unterwassertunneln wird am Beispiel des Hamburger Elbtunnels (BAB A 7) analysiert und mit Strecken außerhalb von Tunneln verglichen. Für zweistreifigen Richtungsverkehr (Oströhre) und zweistreifigen Gegenverkehrsbetrieb (Mittelröhre) wird das Geschwindigkeitsverhalten, Abstandsverhalten, Spurverhalten und die Leistungsfähigkeit der Tunnelröhren über Messungen an jeweils 6 Querschnitten untersucht. Geschwindigkeits- und Abstandsverhalten im Tunnel sind primär durch die Beschränkung auf 80 km/h, die vorhandene Gradientenneigung und - in der Mittelröhre - durch das generelle Überholverbot gekennzeichnet. Zwar übertreten 70 % (Oströhre) bzw. 90 % (Mittelröhre) aller Fahrzeugführer die Geschwindigkeitsbeschränkung, doch ist das Geschwindigkeitsniveau niedriger als auf Strecken ohne Tunnel bei gleichen Restriktionen. Beim Spurverhalten fällt gegenüber Strecken außerhalb von Tunneln eine verstärkte Kanalisierung der Fahrzeuge auf. Nach Gewöhnung an die Tunnelverhältnisse nutzt der Kraftfahrer die Tunnelwand offenbar als Leithilfe. Die Leistungsfähigkeit der Oströhre beträgt etwa 2.800 Kfz/h (und entspricht damit der Kapazität "normaler" BAB-Strecken ohne Geschwindigkeitsbeschränkung), die Mittelröhre etwa 1.700 Pkw/h je Fahrtrichtung. Die Unfallrate liegt im Elbtunnel trotz ungünstiger Streckenmerkmale niedriger als im übrigen Hamburger BAB-Netz. Die Unfallschwerpunkte liegen an den Streckenabschnitten, für die das höchste Geschwindigkeitsniveau, ungünstige Einflüsse aus der Portalgestaltung und Staugefahr festgestellt wurden. Aus diesem Ergebnis werden Empfehlungen hinsichtlich konstruktiver Gestaltung, Betrieb und Überwachung abgeleitet.
In dem geltenden Regelwerk für Straßentunnel, der ZTV-ING, ist das derzeitige rechnerische Nachweisverfahren zum baulichen Brandschutz für Rechteckrahmenquerschnitte im Teil 5, Abschnitt 2 über ein vereinfachtes Nachweisverfahren mit Ansatz eines Temperaturgradienten von 50 K in Wand und Decke geregelt. Alternativ kann nach ZTV-ING ein "genauerer" rechnerischer Nachweis durchgeführt werden, der jedoch in der Praxis kaum angewendet wird, da hierzu bisher keine eindeutigen Regelungen zur Durchführung vorliegen. Es stellen sich insbesondere die Fragen, inwieweit über einen genaueren rechnerischen Nachweis Einsparpotenziale bei der Bewehrung gegenüber dem vereinfachten Nachweis vorliegen und welchen Einfluss eine verlängerte ZTV-ING-Kurve (55 Minuten Vollbrandphase statt 25 Minuten Vollbrandphase) auf die erforderlichen Bewehrungsgehalte hat. Im vorliegenden Forschungsvorhaben wurden die genaueren rechnerischen Nachweise für typische Rechteckrahmenquerschnitte von Straßentunneln (ein- und zweizellig) auf Grundlage des Eurocodes EN 1992-1-2 [4], "Allgemeines Rechenverfahren", durchgeführt. Aufgrund des deutlich unterschiedlichen Abplatzverhaltens von Beton ohne PP-Fasern und Beton mit PP-Fasern mit entsprechendem Einfluss auf das Tragverhalten im Brandfall wurden differenzierte Berechnungen durchgeführt. Die Annahmen für die Größe und den Zeitpunkt der Betonabplatzungen basieren auf den Auswertungen von Großbrandversuchen für Rechteckrahmen [10]. In zusätzlichen statischen Berechnungen wurde der Lastfall nach dem Brand mit Berücksichtigung der veränderten Baustoffeigenschaften durch die Brandeinwirkung nachgewiesen. Auf Grundlage der durchgeführten Berechnungen wurde ein Leitfaden mit Musterstatik für den genaueren rechnerischen Brandschutznachweis erstellt. Der Leitfaden mit Musterstatik soll bei der zukünftigen Dimensionierung von Rechteckkonstruktionen von Straßentunneln einen optimierten Brandschutznachweis mit einhergehenden Kostenoptimierungen gegenüber dem bisherigen vereinfachten Brandschutznachweis ermöglichen. Es hat sich gezeigt, dass der genaue rechnerische Nachweis des Brandfalls ein komplexes Berechnungsverfahren ist, das in der Praxis noch nicht erprobt ist. Auf Grundlage der Ergebnisse des genaueren rechnerischen Nachweisverfahrens wurde ein für die Praxis zweckmäßiges Berechnungsverfahren mit Vorgabe eines von der Bauteildicke abhängigen linearen Temperaturgradienten entwickelt. Voraussetzung für die Anwendung dieses Nachweisverfahrens sind vergleichbare Randbedingungen im Brandfall hinsichtlich Größe von Betonabplatzungen und Temperaturverteilungen im Bauteil, welche bei der Verwendung von Betonen mit PP-Fasern und entsprechenden Vorgaben an Rezeptur, Herstellung und Verarbeitung gesehen werden. Für eine Fortschreibung der ZTV-ING, Teil 5, Abschnitt 2, Nr. 10 "Baulicher Brandschutz" werden entsprechende Empfehlungen formuliert.
Ziel der Untersuchungen war es, die Leistungsfähigkeit von SVB für die Anwendung im Straßentunnelbau zu verifizieren. Insbesondere sollte geprüft werden, ob die Robustheit des SVB gegenüber den in der Baupraxis auftretenden Veränderungen bei den Ausgangsstoffen und den Herstellbedingungen ausreichend ist und ob Fehler bei der Umschließung komplizierter Einbauteile in Tunnelinnenschalen durch den Einsatz von SVB vermieden werden können. Die Untersuchungen erfolgten an einem Straßentunnelbauwerk. Im Zuge der Ausführung des Schlossbergtunnels (B 277, Ortsdurchfahrung Dillenburg, Hessen) wurde eine cirka 30 m lange Versuchsstrecke mit insgesamt 6 Innenschalenblöcken aus SVB ausgeführt. Dieses Pilotprojekt wurden durch das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS), vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), im Jahr 2003 iniziiert. Unter Beachtung der vorhandenen Ausgangsstoffe, aber auch der vorherrschenden Gegebenheiten an der mobilen Baustellenmischanlage geschuldet, wurde ein SVB der Festigkeitsklasse C30/37 konzipiert. Die Betonzusammensetzung zeichnet sich durch eine Verarbeitungszeit von mindestens 2 Stunden, eine Ausschalfestigkeit von mindestens 3 N/mm2 nach 12 Stunden und eine durch die Verwendung von Flugasche reduzierte Hydratationswärmeentwicklung aus. Die Herstellung, der Einbau und die Nachbehandlung des SVB erfolgte entsprechend einer erteilten Zustimmung im Einzelfall (ZiE) unter Beachtung des speziell für den Tunnelbau abgestimmten Qualitätsmanagementssystems (QS-Pläne, Betonier- und Nachbehandlungskonzept). Während den sechs Betonagen der Tunnelinnenschalen, welche von Ende 2005 bis Anfang 2006 stattfanden, erfolgte ein umfangreiches Bauwerksmonitoring. Dabei wurden die relevanten Frisch- und Festbetonkennwerte, wie zum Beispiel seitlicher Frischbetondruck, Frisch- und Festbetontemperaturen sowie das Verformungserhalten bis ein Jahr nach der Herstellung überwacht. Um die Ausführungsqualität des SVB quantifizieren zu können, wurden neben einer visuellen Begutachtung, auch Wasserdichtigkeitstests und zerstörungsfreie Dickenmessungen durchgeführt. Die Untersuchungen hinsichtlich der Wasserdichtigkeit zeigten, dass es keine wasserführenden Risse bei den sechs Blöcken gibt. Eine Verbesserung der Dichtigkeit bei den Blockfugen konnte nicht nachgewiesen werden. Die gesammelten Erfahrungen beim Einbau des SVB können prinzipiell als positiv bewertet werden, SVB kann den zum Teil schwierigen tunnelbauspezifischen Bedingungen standhalten. Der eingesetzte SVB hatte im Vergleich zu konventionellen Rüttelbeton keine nachteiligen Festbetonkennwerte. Wie aus zahlreichen anderen SVB-Projekten im Ingenieurbau bekannt ist, sind allerdings erhöhte Qualitätssicherungsmaßnahmen notwendig, um alle geforderten Eigenschaften zielsicher zu erreichen. Dieser Mehraufwand macht es aber notwendig, dass vor jeder Tunnelbaumaßnahme genauestens kalkuliert wird, ob und in welchen Bereichen der Einsatz von SVB sinnvoll ist. Aufgrund der gesammelten Erfahrungen wird eine weitere Verwendung von SVB im Tunnelbau, speziell in Bereichen mit komplizierten Geometrien, hohen Bewehrungsgraden und Einbauteilen, zum Beispiel Kaverne, empfohlen. Die Anwendung für die eigentliche Tunnelinnenschale ist unter technischen und wirtschaftlichen Gesichtspunkten zu entscheiden.
Das Forschungsprojekt hat zum Ziel, Straßenverkehrstunnel sicherer zu gestalten und Verkehrsteilnehmer bei Störungen schnell und sicher zum richtigen Verhalten anzuleiten. Als Ausgangsbasis diente eine Internetbefragung mit 423 Personen aller Altersgruppen über den Wissensstand der Nutzer (Ausstattung von Tunneln, Verhalten). So würden 16% der Befragten im Fahrzeug bleiben, wenn im Tunnel nur Feuer und Rauch zu sehen ist, 19% wissen nicht, was zu tun ist und 42% überschätzen die bei einem Brand zur Evakuierung zur Verfügung stehende Zeit. Die Betroffenen bleiben bei Feuer und Rauch zu lange im Fahrzeug sitzen. Eine Umfrage unter Tunnelbetreibern gibt den aktuellen sicherheitstechnischen Stand und Art und Umfang der Notfallpläne wieder. Lärmmessungen in ausgewählten Tunneln zeigen die Möglichkeiten akustischer Informationen auf. In Experimenten wurden wesentliche Gestaltungsfragen geklärt: Optische / haptische Möglichkeiten: Um zu prüfen, wie Personen aus einer verrauchten Umgebung schnellstmöglich evakuiert werden können, werden in einer Bunkeranlage (mit Theaterrauch und Lärm-Beschallung, n = 54) verschiedene Leitmöglichkeiten experimentell untersucht: Lauflichter, Dioden-Laser-Modul, Handlauf, sowie eine Kombination daraus. Wenn zum Auffinden des Notausgangs ein Queren des Tunnels erforderlich ist, eignet sich besonders eine Kombination aus optischen und haptischen Hilfen. Akustische Möglichkeiten: Es wurden sowohl Sprachdurchsagen per Lautsprecher für herkömmliche (schlecht verständliche), sowie für neuartige Hornlautsprecher (wegen geringeren Echos besser zu verstehen), für Radio-Durchsagen, als auch akustische Signale für extreme Störfälle entwickelt. Die Sprachausgaben sind kurz gefasst und entsprechen den Erkenntnissen der Psychoakustik und Linguistik. Bei Tunnelbränden ist es sinnvoll, die Sprachausgaben durch akustische Signale in Form spezifischer "Sounds" zu ergänzen oder zu ersetzen, die gut lokalisierbar und in ihrer Wirkung selbsterklärend sind, die Fahrzeuginsassen zum schnellen Verlassen des Fahrzeugs veranlassen und das Auffinden der Notausgänge erleichtern. In einer Versuchsserie (Bunkeranlage, Verkehrslärm 80 dB(A), Geräusche Strahlventilator 78 dB(A)) mit je 40 Personen aller Altersgruppen wurden zahlreiche "lockende" und "treibende Sounds" verglichen. Als "lockende" Sounds, die die Probanden zum Ausgang leiten sollen, wurden unter anderem verschiedene Vogelstimmen, Musikinstrumente, eine Singstimme ("Hier her"), eine Sprechstimme (zum Beispiel "Please, exit here"; "Der Notausgang ist hier") und weißes Rauschen erprobt. Die aversiven Signale, die Personen zum Verlassen des Fahrzeugs und des Tunnels veranlassen sollen, wurden mit einer Orgelpfeife mit ca. 7 Hz, sowie mit einer Bassbox (Frequenzgang von ca. 25 -100 Hz) erzeugt. Außerdem wurden weitere Signale, zum Beispiel eine Feueralarm-Sirene, erprobt. Um in einer Notfallsituation im Tunnel Menschen dazu zu bewegen, aus ihrem Fahrzeug auszusteigen und zu flüchten, eignet sich entweder der Bass-Sound "Sägezahn" (Periode 10 auf 50 Hz) oder ein dunkler Ton aus der Orgelpfeife (7 Hz). Die tiefen Frequenzen werden als sehr unangenehm empfunden. Bei diesen Sounds sind die meisten richtigen Interpretationen zu verzeichnen und die Emotionen, die geweckt werden, eignen sich dazu, Menschen aus dem Tunnel zu treiben. Um Personen in der Geräuschkulisse eines Tunnels zu einem Notausgang zu locken, ist, entgegen den bisherigen Aussagen in der Literatur, das weiße Rauschen (ohne Zusatz) nicht zu empfehlen. Vielmehr eignet sich der Song "Hier her" (weibliche Altstimme, getragen, Rufterz), im Wechsel mit dem Lockgesang des Rotkehlchens, das mit weißen Rauschen hinterlegt ist. Ebenfalls empfehlenswert ist die Sequenz "Der Notausgang ist hier" - "Rotkehlchen mit weißen Rauschen hinterlegt" - "Please, exit here". Diese Signalkombinationen sind sehr gut zu orten, werden im richtigen Sinne interpretiert und positiv beurteilt. Die verschiedenen Systeme müssen hierarchisch aufeinander abgestimmt eingesetzt werden, wobei das entsprechende Stör- beziehungsweise Notfall-Szenario zu beachten ist. Die in dieser Studie gefundenen Erkenntnisse sind mit vergleichsweise geringem Aufwand in die Praxis umzusetzen und gut geeignet, die Sicherheit bei Störfaellen in Tunnel deutlich zu verbessern.
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.