54 Tunnelbau
Tunnel in Spritzbetonbauweise werden in der Regel mit einem Dichtungssystem aus Kunststoffdichtungsbahnen (KDB) gegen das anstehende Bergwasser abgedichtet. Tunnelabdichtungen aus KDB müssen dabei über die gesamte Nutzungsdauer des Bauwerks zuverlässig ihre Funktion erfüllen. Zur Verifizierung und Kalibrierung von Prüfverfahren zur Langzeitbeständigkeit von KDB können u. a. in situ gealterte KDB-Proben aus bestehenden Straßentunneln sehr nützlich sein. Die Ergebnisse umfangreicher Untersuchungen zu den Materialeigenschaften von KDB-Proben aus insgesamt acht älteren Straßentunneln zeigen, dass einige mechanische Eigenschaften der KDB auf eine bereits stattgefundene Alterung der KDB hindeuten, aber überwiegend noch die Anforderungen der Regelwerke eingehalten werden. Die Ergebnisse der Untersuchungen bestätigen die bereits in der Vergangenheit vorgenommenen Änderungen im Regelwerk und sind auch bei der aktuellen Fortschreibung der Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten (ZTV-ING) eingeflossen.
Beim Einsatz endgültiger Spritzbetonkonstruktionen im Straßentunnelbau kommen prinzipiell zwei Anwendungsfälle in Betracht: 1.) Einsatz als einschalige Konstruktionen, d.h. die Spritzbeton-Außenschale (1. Lage) stellt im Verbund mit einer zweiten Spritzbetonlage die endgültige Konstruktion dar. Die Außenschale muss dabei dauerhaft Tragfunktionen übernehmen. 2.) Einsatz als zweischalige Spritzbetonkonstruktionen, bei der anstelle des Schalbetongewölbes der Regelbauweise eine Spritzbetonschale als Innenschale aufgebracht wird. Außen- und Innenschale wirken getrennt voneinander, die Außenschale übernimmt im Endzustand keine Funktionen. Die Einsatzbereiche, aber auch -grenzen beider Anwendungsfälle sind für den Straßentunnelbau in Deutschland bislang weitestgehend unklar. Abgesicherte Erfahrungen liegen nur wenige vor. Erste Einsätze zeigen jedoch, dass für beide Fälle wirtschaftliche Anwendungsmöglichkeiten existieren. Entscheidend ist dabei allerdings die Frage, welche dauerhafte Ausführungsqualität mit diesen Konstruktionen im Vergleich zur zweischaligen Regelbauweise überhaupt erreicht werden kann. Um diese und andere Fragen beantworten zu können, wurden im Zuge der Ausführung des Rennsteigtunnels (BAB A71) beide Anwendungsfälle näher untersucht. Der erste Fall anhand einer von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) konzipierten Versuchsstrecke, der zweite Fall anhand von Ausführungen, die auf Initiative der am Rennsteigtunnel ausführenden Arbeitsgemeinschaft zurückgehen. Im vorliegenden Bericht werden die Untersuchungen, die im Rahmen der Ausführungen zur Beurteilung der Einsatzbereiche durchgeführt wurden sowie deren Ergebnisse dargestellt. Grundlage der Untersuchungen bildet dabei der Kenntnisstand, der in beiden Anwendungsfällen derzeit vorliegt. Eine Analyse ausgeführter Bauwerke zeigt, dass sich die meisten Einsätze einschaliger Konstruktionen auf den U-Bahn- und Stadtbahnbau konzentrieren. Hier liegen zwar Erfahrungen vor, diese sind allerdings, insbesondere wegen der größeren Ausbruchsquerschnitte, nur zum Teil auf den Straßentunnelbau übertragbar. Dagegen sind erste Anwendungsfälle zweischaliger Spritzbetonkonstruktionen bereits im Bahn- und Straßentunnelbau zu finden. Zur Untersuchung der Einsatzbereiche einschaliger Spritzbetonkonstruktionen wurden im Rahmen der Versuchsstrecke am Rennsteigtunnel die Ausführbarkeit, das Tragverhalten und das Dichtheitsverhalten verschiedener einschaliger Varianten untersucht. Dazu war es erforderlich, die straßentunnelspezifischen und hydrogeologischen Randbedingungen zu formulieren, die in die Konzeptionierung der Versuchsstrecke einfließen mussten. Anhand der Ergebnisse ließen sich Empfehlungen ableiten, die bei einer zukünftigen Anwendung einschaliger Spritzbetonkonstruktionen berücksichtigt werden sollten. Neben reinen Spritzbetonkonstruktionen wurden dazu vergleichend auch geschalte Konstruktionen in die Untersuchungen einbezogen. Die zweischaligen Spritzbetonkonstruktionen kamen in den Kalottenbereichen der beiden Lüfterkavernen sowie in einem der beiden Zuluftstollen des Rennsteigtunnels zum Einsatz. Durch die Begleitung der Planungen und Ausführungen konnte aufgezeigt werden, welche wesentlichen Zusatzmaßnahmen bei diesen Ausführungsvarianten zu beachten sind, um eine vergleichbare Qualität zur Regelbauweise zu erhalten. Insgesamt konnte durch die Untersuchungen gezeigt werden, dass beide Anwendungsfälle ihre Einsatzbereiche, aber auch "grenzen aufweisen. So lässt sich eine Anwendung einschaliger Spritzbetonkonstruktionen nur in den Tunnelbereichen empfehlen, die nicht unter ständigem Straßenverkehr stehen, d.h. primär in Zuluft- oder in Fluchtstollen. Die Begründungen dazu und die geeigneten Konstruktionen werden im Bericht dargelegt. Die zweischaligen Spritzbetonkonstruktionen können unter Beachtung der aufgeführten Zusatzmaßnahmen und einer hohen Ausführungsqualität gerade im Bereich von Aufweitungsbereichen oder anderen schalungsaufwendigen Bereichen eine technische Alternative zur zweischaligen Regelbauweise darstellen. Die Frage der wirtschaftlichen Vorteile zweischaliger Spritzbetonkonstruktionen gegenüber der Regelbauweise lässt sich dabei allerdings nur objektspezifisch beantworten.
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.
An 13 Trogbauwerken im Grundwasser wurden Fahrbahnbeläge und der darunter liegende Beton der Sohlen untersucht, um festzustellen, welche bauphysikalischen Besonderheiten in bezug auf die Fahrbahnbeläge gegenüber Brückenbauwerken bestehen. Es sollten Grundlagen dafür geschaffen werden, die in den "Zusätzlichen Technischen Vorschriften und Richtlinien für die Herstellung von Brückenbelägen auf Beton, Ausgabe 1987 (ZTV-Bel-B)" angesprochenen Sondermaßnahmen für Beläge auf Trog- und Tunnelsohlen zu konkretisieren. Neun Bauwerke hatten eine Außenabdichtung ("schwarze Wannen"), bei den anderen vier wurde die Abdichtung gegen das Grundwasser durch Ausführung der Sohlen und Wände aus wasserundurchlässigem Beton ("weiße Wannen") erreicht. Die Fahrbahnbeläge hatten folgende Aufbauten: Beläge nach der ZTV-BEL-B mit flächiger Verklebung zum Beton (4 Bauwerke), andere Beläge mit flächiger Verklebung (2), Beläge mit Abdichtung auf Trennschicht (3), Belagsaufbauten mit vollständigem oder teilweisem Straßenaufbau mit Dichtungsschicht (3) und ohne Dichtungsschicht (1) auf der Trogsohle. Das Alter der Bauwerke lag zwischen zwei und 29 Jahren. Aus den Fahrbahnbelägen (alle in Asphaltbauweise) wurden Ausbaustücke und teilweise auch Bohrkerne entnommen; der Asphalt und der Sohlenbeton wurden visuell bewertet. Aus dem Sohlenbeton wurden Proben zur Bestimmung der Chlorid- und Feuchtegehalte entnommen. Weitere Untersuchungen waren die Ermittlung der Abreißfestigkeit von Flüssigkunststoff-Dichtungsschichten von der Unterlage und Potentialmessungen auf einer Trogsohle und an einer Trogwand. Unter anderem konnten Ergebnisse zur (hohen) Betonfeuchte generell und zur Chloridaufnahme des oberflächennahen Sohlenbetons bei fehlender Fahrbahnabdichtung gefunden werden. Die grundsätzliche Möglichkeit, verklebte Belgsbauarten nach den ZTV-BEL-B auch auf den Trogsohlen mit ihren hohen Feuchtegehalten einzusetzen, konnte an einem ausgeführten Beispiel mit einem Alter von fünf Jahren belegt werden. Weiterhin wurden Erfahrungswerte darüber gewonnen, wann Fugen im Belag über Blockfugen in der Trogsohle ausgebildet werden müssen.
Im Zuge von Nachrüstungsarbeiten konnten Kunststoffdichtungsbahnproben (KDB) aus fünf deutschen Straßentunneln entnommen werden. Im Rahmen des Forschungsvorhabens FE 15.461/2008/ERB "Materialeigenschaften von Kunststoffdichtungsbahnen bestehender Straßentunnel" beauftragte das Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung (BMVBS), vertreten durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt), die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), die ausgebauten KDB-Proben systematisch zu untersuchen. Die Kunststoffdichtungsbahnen waren zwischen 10 und 23 Jahren in den jeweiligen Straßentunneln eingebaut. Im ersten Schritt wurden die Materialeigenschaften der KDB-Proben mit dafür geeigneten Methoden charakterisiert, wie Thermischen Analysen (DSC,OIT), Dichtebestimmung, Zugprüfung (mechanischen Eigenschaften), Ermittlung des Stabilisatorgehalts (ICOT), der Dicke der KDB sowie der Qualität der Fügenaht und der geotextilen Schutzschicht. Im Verlauf des Vorhabens wurden Bergwasserproben aus den Straßentunneln entnommen und analysiert. Der Auftraggeber übermittelte der BAM die Ergebnisse zur Auswertung. Bei der Entnahme wurden folgende Parameter vor Ort bestimmt: Entnahmetemperatur, pH-Wert sowie partiell der Sauerstoffgehalt. Im Prüflabor wurden dann die Bestimmung der Leitfähigkeit und die Elementaranalyse mittels ICP-OES zur Bestimmung der Metallionenkonzentration (u. a. Eisen, Mangan und Kupfer)durchgeführt. Zusätzlich wurden weiterführende Versuche zur Oxidationsbeständigkeit im Autoklaven in Anlehnung an DIN EN ISO 13438 durchgeführt, um den Einfluss von Metallionen auf die oxidative Beständigkeit zu untersuchen. Mit Hilfe der Daten aus der Bergwasseranalyse wurde ein geeignetes Modellmedium entwickelt, die im Autoklaventest an einem bereits ohne Metallionen untersuchten Produkt (Produkt II, FE 15.449/207/ERB) erprobt wurden. Die aus diesem Forschungsprojekt entstehenden neuen Erkenntnisse sollen in die aktuelle Normungs- und Gremienarbeit eingebracht werden.
Im Rahmen eines von der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) initiierten Forschungsvorhabens (15.449/2007/ERB: "Prüfverfahren zur Beurteilung der Lebensdauer von Kunststoffdichtungsbahnen für Straßentunnel") wurden anhand von Untersuchungen an Kunststoffdichtungsbahnen (KDB) auf Basis von Polyolefinwerkstoffen die Möglichkeiten der Beurteilung der oxidativen Langzeitbeständigkeit sondiert. Im Mittelpunkt stand die Erprobung des Autoklaventests in Anlehnung an DIN EN ISO 13438 (Methode C1/C2) an ausgewählten, für den Tunnelbau repräsentativen marktüblichen KDB-Produkten. Die Untersuchungen im Autoklaven bei erhöhten Temperaturen (60 -°C, 70 -°C und 80 -°C) und Sauerstoffdrücken (11, 21 und 51 bar) wurden durch vergleichende Versuche im Wärmeschrank (Ofen) bei erhöhter Temperatur (85 -°C) in Anlehnung an DIN EN 14575 ergänzt. Die KDB-Produkte wurden außerdem einer eingehenden Materialcharakterisierung (Zugprüfung, OMA, DSC) unterzogen. Weiterhin wurden Bauwerksdaten recherchiert und auf ihre Nutzbarkeit zur Bewertung und Prüfbarkeit der Langzeitbeständigkeit von KDB in Tunneln betrachtet. Ziel war auch, die Anwendbarkeit des bisher vorgeschlagenen Extrapolationsmodells zur Auswertung der Ergebnisse von Autoklaventests an im Tunnelbau marktüblichen Produkten für Nutzungsdauern über 25 Jahre zu überprüfen und zur Entwicklung eines geeigneten Prüfverfahrens beizutragen. Der Beitrag geht auf Ergebnisse des Vorhabens ein und zeigt erste Schlussfolgerungen und weiteren Untersuchungsbedarf auf. Die Ergebnisse werden in den "Empfehlungen zu Dichtungssystemen im Tunnelbau EAG-EDT" des Arbeitskreises 5.1 "Kunststoffe in der Geotechnik und im Wasserbau" berücksichtigt, deren 2. Auflage in Vorbereitung ist. Aspekte des thermischen Verhaltens der eingesetzten Werkstoffe sowie mögliche Anpassungen der Prüfrandbedingungen für die Autoklaventests werden ergänzt und Hinweise zur Interpretation von Prüfergebnissen gegeben. Außerdem wurden inzwischen ausgehend von den Ergebnissen des Forschungsvorhabens erste Autoklaven-Ringversuche in drei Prüfinstitutionen initiiert.
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.
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 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.