25 Tunnelentwurf
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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.
Die Wirksamkeit von Beton unter Zugabe von Polypropylen-Fasern (PP-Fasern) als vorbeugende bauliche Brandschutzmaßnahme für Tunnelinnenschalen wurde bereits in vielen Großbrandversuchen im In- und Ausland nachgewiesen. Die spezifischen Anforderungen an den PP-Faserbeton für Straßentunnel in Deutschland bedingen eine besondere Betonzusammensetzung sowie Sorgfalt bei der Herstellung und Verarbeitung des Betons, die im Rahmen eines Forschungsvorhabens unter Laborbedingungen bereits erfolgreich umgesetzt werden konnten. Die Anwendbarkeit von PP-Faserbeton unter Praxisbedingungen wurde nachfolgend beim Tunnel Westtangente Bautzen (B96) in offener Bauweise nachgewiesen. Im vorliegenden Beitrag werden die Ergebnisse dieser erfolgreichen Pilotanwendung dargestellt. Insbesondere wird auf die Erfahrungen mit der Herstellung und Verarbeitung des PP-Faserbetons sowie die durchgeführten Qualitätssicherungsmaßnahmen eingegangen.
Ermittlung der Schadstoffbelastung in einem Tunnelbauwerk mit geschlitzter Decke an der EB 42 n
(1987)
Eine Schnellstraße durch einen Tunnel mit einer in der Mitte geschlitzten Decke zu führen, wie an der EB 42n im Bereich Königswinter-Oberdollendorf, ist in der Bundesrepublik Deutschland ohne Vorbild. Zur Klärung, welche Umweltbelastungen von einem derartigen Bauwerk ausgehen können, wurde in einer Messkampagne untersucht, welche Schadstoffbelastungen im Tunnel und außerhalb des Tunnels auftreten. Bei einem Verkehrsstau auf einer Richtungsfahrbahn von mehreren Kilometern Länge im Bereich des Tunnelbauwerkes wurden im Tunnel Kohlenmonoxidkonzentrationen gemessen, die um mehr als den Faktor 5 unter dem Grenzwert aus den Richtlinien für die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln (RABT) lagen. Die Schadstoffbelastungen am Schlitz des Tunnels sind gering. Sie unterschreiten sowohl die Grenzwerte nach TA Luft, wie auch die Grenzwerte nach der VDI-Richtlinie 2310, die wegen fehlender Grenzwerte für den Straßenbau als Orientierungshilfen herangezogen wurden. Betrachtet wurden die Stoffe Kohlenmonoxid, Stickstoffdioxid und Ozon. Durch die Entwicklung eines physikalischen Modells zur Berechnung der Konzentrationsprofile in den beiden Tunnelröhren könnte das Prinzip der natürlichen Lüftung erklärt und gezeigt werden, dass ca. 75 % bis 78 % der im Tunnel emitierten Schadstoffe über den Schlitz in der Tunneldecke und die restlichen 22 % bis 25 % über die beiden Portale abgeführt werden. Unter dem Aspekt der Luftreinhaltung ist dieses Bauwerk als umweltfreundlich anzusehen.
Tunnel, die in Spritzbetonweise hergestellt werden, können zum Beispiel von Kunststoffdichtungsbahnen gegen eindringendes Wasser abgedichtet werden. Die Kunststoffdichtungsbahn und deren geotextile Schutzschicht werden während der Tunnelbauphase und der Betriebsphase durch Einzellasten und Flächendruck beansprucht. Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurden solche Beanspruchungen in verschiedenen Versuchsreihen simuliert. Dazu wurden am Institut für Baustoffkunde der Universität Hannover Indexversuche mit Einzellasten (Durchdrück- und Zeitstandversuche) und bei der STUVA, Köln anwendungstechnische Versuche mit Flächendruckbeanspruchung sowie Berstdruckversuche durchgeführt. Die wichtigsten Versuchsergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: - Auf eine geotextile Schutzschicht darf keinesfalls verzichtet werden, da sonst die Kunststoffdichtungsbahn zu starke Eindrückungen erhält oder sogar perforiert wird; - Der Feuchtigkeitsgehalt einer geotextilen Schutzschicht aus Endlosfaservliesstoff hat keinen wesentlichen Einfluss auf die Tiefe der Eindrückungen in die Kunststoffdichtungsbahn; - Für die geotextile Schutzschicht sollte eine Mindestgeotextilmasse mit einem Mittelwert minus Standardabweichungen von 900 und größer als 1.200 g/m2 gewählt werden; - Dränmatten bieten einen gewissen Schutz, sollten jedoch mit einem luftseitigen Schutzvlies (Robustheitsgrad 4) versehen werden; - Beschädigungen der Kunststoffdichtungsbahn durch Vorbelastungen im Flächendruckversuch haben im Kurzzeit-Berstdruckversuch nur einen geringen Einfluss auf das mehrachsige Dehnungsverhalten. Die neuen Forschungsergebnisse sollten bei der Neufassung der ZTV-ING Berücksichtigung finden. Es wird empfohlen, Zeitstanddruckversuche als "Indextests" und Flächendruckversuche im Brunnentopf als "Anwendungstechnische Versuche" in die Regelwerke aufzunehmen.
Tunnel sind bedeutende Infrastrukturbauwerke. Die Beurteilung der Folgen von Brandereignissen in Tunneln ist daher auch von außerordentlicher volkswirtschaftlicher Bedeutung. Ein solches Brandereignis stellt z.B. der Brand eines mit Benzin beladenen Tanklastzugs dar. Im Rahmen eines Forschungsvorhabens für die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) wurden verschiedene Szenarien für diesen Extremfall mit unterschiedlichen Energiefreisetzungsraten und deren Einfluss auf die Tunneltragsicherheit mittels numerischer Strömungssimulationen und Finite-Elemente-Berechnungen untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass selbst Brandszenarien mit Flüssigkeitslachenbränden von bis zu 28 t Benzin durch die ZTV-ING-Temperatur-Zeit-Kurve abgedeckt werden können. Der folgende Beitrag fasst die wesentlichsten Ergebnisse zusammen.
Nach der neuen österreichischen Tunnelbaumethode aufzufahrende Straßentunnel werden in der Regel zweischalig ausgeführt. Die direkt nach dem Ausbruch abschnittsweise als Spritzbeton herzustellende Außenschale dient der vorläufigen Sicherung des Hohlraumes. Die später einzubringende Innenschale ist das langfristig tragende Bauglied. Beide Schalen sind gewöhnlich durch die Abdichtung oder Gleitschichten voneinander getrennt, sodass sie unabhängig voneinander wirken. Die neuerdings erzielbaren Qualitätssteigerungen von Spritzbetonschalen haben aus wirtschaftlichen Gründen zur Entwicklung der einschaligen Bauweise geführt. Hierbei wird die zweite Schale, die dem Endausbau dient, im Verbund mit der ersten, zunächst der Gebirgssicherung dienenden Schale ausgeführt. Beide tragen danach gemeinsam und stellen die Tragsicherheit des Tunnelgewölbes sicher. Die zweite Schale kann entweder auch in Spritzbeton oder als Beton in Schalung hergestellt werden. Wegen des erforderlichen Verbundes zwischen beiden Schalen kann eine Dichtungsschicht nicht eingebaut werden. Die Dichtheit muss daher allein durch den Beton erzielt werden. Zur Klärung offener Fragen im Hinblick auf Dichtheit und Verbundwirkung wird von der Bundesanstalt für Straßenwesen ein Forschungsprojekt im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen bearbeitet, welches die Anwendungsmöglichkeiten und -grenzen der einschaligen Bauweise im Straßentunnelbau klären soll. Im Verlauf eines Zuluftstollens zum im Bau befindlichen Rennsteigtunnel in Thüringen werden fünf Abschnitte von je 16 Metern Länge zweischalig in unterschiedlichen Konstruktionsarten ausgeführt. Die verschiedenen Varianten, die Überlegungen hierzu und die Randbedingungen werden dargestellt.
Die Innenschalen von Straßentunneln in geschlossener Bauweise werden in der Regel als Stahlbetonkonstruktion ausgeführt. Die Ausführung unbewehrter Tunnelinnenschalen kann für den Bauherrn eine erhebliche Kostenersparnis bedeuten, da die Kosten für die Bewehrung und deren Einbau eingespart werden. Unbewehrte Innenschalen für Straßentunnel in geschlossener Bauweise wurden in der Vergangenheit bei einzelnen Projekten in Deutschland bereits ausgeführt. Die Anforderungen an die bauliche Durchbildung und an die Gebrauchstauglichkeitseigenschaften wurden aufgrund fehlender Regelungen in den ZTV-ING objektspezifisch festgelegt. Die im Rahmen dieses Forschungsprojektes durchgeführte Auswertung der Erfahrungen mit unbewehrten Innenschalen zeigt, dass viele der Tunnel eine hohe Anzahl von Rissen und Betonabplatzungen in den unbewehrten Bereichen aufweisen. Die hier erforderlichen nachträglichen Instandsetzungsmaßnahmen führen häufig zu hohen Kosten und Beeinträchtigungen der Tunnelverfügbarkeit. Als Fazit aus diesen Erfahrungen kann der Einsatz von unbewehrten Innenschalen nur in Ausnahmefällen bei vorliegenden besonders günstigen Randbedingungen empfohlen werden. Neben einer günstigen Geologie zählen hierzu noch weitere Parameter, die im vorliegenden Bericht ausführlich dargelegt werden. Zur Vermeidung vertragsrelevanter Probleme bei der Ausführung unbewehrter Innenschalen wird eine klare Festlegung der Gebrauchstauglichkeitseigenschaften der fertigen Tunnelinnenschale empfohlen. Bezüglich der zulaäsigen Rissweiten in unbewehrten Innenschalen wird die Anwendung der Vorgaben aus der Ril 853, Modul 853.4004 empfohlen. In den ZTV-ING sollten für den Sonderfall einer unbewehrten Innenschale auch weiterhin keine speziellen Anforderungen festgelegt werden. Kriterien für die Anwendung unbewehrter Innenschalen wurden im Rahmen dieses Forschungsprojektes erarbeitet und sollten bei Bedarf den Straßenbauverwaltungen der Länder und den Planern zur Verfügung gestellt werden.
Im Forschungsvorhaben wurde eine vergleichende Analyse der Baulastträgerkosten von Einhausungsbauwerken und Tunneln in offener Bauweise über den Lebenszyklus durchgeführt. Betrachtet wurden die Einhausungsarten oben offene Einhausungen, seitlich offene Einhausungen (Galerien) und geschlossene Einhausungen mit Verglasungen im Decken- und/oder Wandbereich. Der Analyse wurden mittlere Kostensätze für die Erhaltung (Erneuerung und Unterhaltung) der Bauwerke zugrundegelegt, die aus vorliegenden Objektdaten von Einhausungen und Tunneln gewonnen wurden. Die Gegenüberstellung der Kosten erfolgte für fiktive Gegen- und Richtungsverkehrsbauwerke mit einer Länge von 100 bis 6.000 Metern. Die bauliche Gestaltung sowie die betriebs- und sicherheitstechnische Ausstattung der Einhausungen wurden aus den Ergebnissen einer parallel durchgeführten Risikoanalyse (FE 15.492/2010/FRB) abgeleitet. Ziel der Gegenüberstellung war insbesondere die Ermittlung des Kosteneinflusses der Beleuchtungs- und Lüftungsauslegung. Als Vergleichsgröße wurden nach dem Modell der Ablösebeträge-Berechnungsverordnung (ABBV) kapitalisierte Erhaltungskosten verwendet. Im Ergebnis zeigte sich, dass alle Einhausungsarten mit geringeren Kosten als nach RABT 2006 ausgestattete Vergleichstunnel verbunden sind. In Abhängigkeit von Bauwerkslänge und Betriebsform ergaben sich für seitlich offene Einhausungen um 35 bis 45 %, für oben offene Einhausungen um 15 bis 40 % und für geschlossene Einhausungen um 10 bis 20 % niedrigere Erhaltungskosten. Auf Grundlage der ermittelten Kostensätze und dem Modell der ABBV wurde ein Softwaretool erstellt, mit dem die verschiedenen Einhausungsarten einem Vergleichstunnel gegenübergestellt werden können und das die zu erwartenden Kostendifferenzen ausgibt. Basierend auf den Ergebnissen wurden Standardisierungskonzepte für das Regelwerk erarbeitet, die unter Beibehaltung des Sicherheitsniveaus nach RABT 2006 eine wirtschaftlich optimierte Ausstattung von Einhausungen ermöglichen sollen.
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.
Die Beurteilung der Nachhaltigkeit von Bauwerken gewinnt in jüngerer Vergangenheit zunehmend an Bedeutung. Während für den üblichen Hochbau bereits nationale und internationale Beurteilungsverfahren existieren, fehlen diese bisher für Ingenieurbauwerke und verkehrliche Anlagen. Die Publikation befasst sich mit einem Vorschlag für ein praxisnahes Bewertungsverfahren für derartige Bauwerke, beschreibt die zu Grunde liegende Methodik und zeigt die maßgebenden Gesichtspunkte für eine ganzheitliche Nachhaltigkeitsbewertung auf.