54 Tunnelbau
Um das oft komplexe Zusammenwirken von einzelnen betriebstechnischen Einrichtungen zur Detektion von Brandereignissen und Steuerung der Lüftung sowie den übrigen sicherheitstechnischen Systemen überprüfen zu können, werden nach ZTV-ING im Rahmen der Abnahme Funktionsprüfungen gefordert, indem Brände simuliert und die zu prüfenden Größen messtechnisch erfasst werden. Reale Brandversuche in Straßentunnel sind jedoch unter dem Aspekt der Wirtschaftlichkeit und des notwendigen technischen Aufwandes zur Erfassung der interessierenden Branddaten und zum Schutz der betriebstechnischen Einrichtungen sowie des Bauwerkes in der Anzahl der Szenarien wie in der Energiefreisetzung begrenzt. Die unter vertretbarem Aufwand erreichbare Brandleistung beträgt zirka 5 MW. Um dennoch Aussagen über das Verhalten des Systems bei höheren Brandleistungen und unterschiedlichen, realen Randbedingungen (Brandorte, Verkehrsbelegung, Windverhältnisse und so weiter.) zu erhalten, sollten Simulationsrechnungen durchgeführt werden können. Diese erlauben eine sehr flexible Modellierung des Tunnels und die Ermittlung sämtlicher relevanter Größen an beliebigen Punkten im Untersuchungsgebiet. Da die Randbedingungen sehr tunnelspezifisch sein können, sind zur Kalibrierung entsprechender Rechenprogramme Eingangswerte aus standardisierten Brandversuchen hilfreich. Ziel der Untersuchung war es daher, mit Hilfe eines geeigneten Rechenprogramms Anforderungen an einen Brandversuch hinsichtlich der notwendigen Daten zur Funktionsüberprüfung und zur Brandhochrechnung zu definieren. Zur Durchführung der Simulationsrechnungen wurde der "Fire Dynamics Simulator" (FDS) verwendet, der über das National Institute of Standards and Technology als 0pen Source-Rechenprogramm erhältlich ist. Grundlage des Rechenprogramms bilden die Gleichungen für die Massen-, Impuls-, Energie- und Stofferhaltung, die im 3-dimensionalen Raum numerisch gelöst werden und als Ergebnis Geschwindigkeits-, Temperatur- und Konzentrationsfelder bereitstellen. Im Rahmen dieser Untersuchung wurden verschiedene Versuchsreihen des Memorial-Tunnel-Fire-Ventilation-Test-Program (MTFVTP) zur Verifizierung der Rechenergebnisse herangezogen. Die vergleichende Gegenüberstellung der einen Brand charakterisierenden Größen Geschwindigkeit und Temperatur ergaben eine überwiegend gute Übereinstimmung der Messwerte aus den Brandversuchen mit den Simulationsergebnissen. Basierend auf den Berechnungen zu den Temperatur- und Geschwindigkeitsverteilungen wurden schließlich unter den Aspekten der Funktionsüberprüfung der betriebstechnischen Einrichtungen und der Erfassung von Eingangsgrößen für Simulationsrechnungen Anforderungen zur Versuchsanordnung, Branddauer, Brandgut und Erfassung der relevanten Messgrößen im Längs- und Querschnitt sowie Anforderungen zu Schutzvorkehrungen abgeleitet. Die Untersuchung hat gezeigt, dass die Definition "eines" Standardbrandversuchs nicht zweckmäßig ist, da die Zielsetzungen sich zu sehr unterscheiden. Dagegen konnten konkrete Grundlagen und Empfehlungen zur Festlegung standardisierter Brandversuche für die gemäß RABT und ZTV-ING vorgesehenen Funktionstests erarbeitet werden. Außerdem konnte gezeigt werden, dass das für die Simulationsrechnungen verwendete Programm FDS derzeit ein adäquates Instrument bildet, nicht nur bezüglich der Simulation von Tunnelbränden unter realen Gegebenheiten und der resultierenden Strömungs- und Temperaturverhältnissen sowie Rauchkonzentrationen, sondern auch in Bezug auf die benötigte Rechner- und Speicherkapazität.
Schallreflexionen an den Innenwänden eines Straßentunnels erhöhen den im Tunnel herrschenden Geräuschpegel. Nach In-situ-Messungen in verschiedenen Straßentunneln kann die Erhöhung des Mittelungspegels in Tunnelmitte bis zu 14 dB(A) betragen. Durch schallabsorbierende Bekleidung der Tunnelinnenwände wird die Pegelerhöhung bis auf wenige Dezibel abgebaut. Die Reflexionen im Tunnelinnern führen weiter zu einer erhöhten Schallemission aus den Tunnelportalen, sodass der Immissionspegel in der Nähe der Portale ansteigt. Schallmessungen an einem im Maßstab 1:8 verkleinerten runden Tunnel und zwei im Maßstab 1:20 verkleinerten runden und rechteckigen Tunneln - alle mit senkrechten Portalen und schallreflektierenden Innenwänden - ergaben an Immissionsorten in 10 m Abstand zur Tunnelachse maximale Pegelerhöhungen von ungefähr 4 dB(A). Sie lagen in 20 m Abstand noch bei 2 dB(A). Durch relativ kurze Belegungslängen der Tunnelinnenwände mit schallabsorbierendem Material kann die maximale Pegelerhöhung auch im Nahbereich von Straße und Tunnelportal auf unkritische Werte unter 1 dB(A) abgesenkt werden. Anhand der Messergebnisse ließ sich ein einfaches Verfahren zur Berechnung der Erhöhung des Mittelungspegels an Immissionsorten vor den Portalen von Tunneln mit schallreflektierenden Innenwänden herleiten. Das Verfahren kann mit geringen Modifikationen auch zur Berechnung der Pegelerhöhung an Tunneln mit schallabsorbierender Bekleidung der Innenwände herangezogen werden.
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.
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.
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.
Auslaugungserscheinungen im Spritzbeton können im bergmännischen Tunnelbau zu Versinterungen der Dränageleitungen sowie zu einer Erhöhung des pH-Wertes des abfließenden Bergwassers führen. Die Folge sind hohe Betriebskosten, verursacht durch den Spülungsaufwand zum Entfernen der Versinterungen beziehungsweise aufgrund der erforderlichen Neutralisation zur Reduzierung des pH-Wertes. Das Ausmaß der Versinterungen kann sehr unterschiedlich sein und wird durch eine Reihe verschiedener objektspezifischer Faktoren beeinflusst. Die nationalen und internationalen Regelwerke gehen sehr unterschiedlich auf diese Problematik ein. Die Spritzbetonrichtlinie des Österreichischen Betonvereins fordert als Hauptmaßnahme die Verwendung alkalifreier Erstarrungsbeschleuniger durch Einhaltung eines Na2O-Äquivalents kleiner als 1,0 Masse-Prozent und einem pH-Wert von 3,0 bis 8,0. Auch das Regelwerk der Deutschen Bahn AG, die DS 853, sieht eine konsequente Anwendung alkalifreier Beschleuniger vor, wobei zusätzlich auf eine Minimierung der Beschleunigermenge geachtet werden soll. Auf europäischer Ebene sind bislang keine Bestrebungen im Gange, der angesprochenen Problematik entgegenzuwirken. Obschon in den maßgebenden Regelwerken keine Verfahren zur Prüfung des Auslaugverhaltens gefordert werden, existieren dennoch verschiedene Messverfahren, mit denen der Einfluss der unterschiedlichen betontechnologischen Parameter auf die Auslaugbarkeit quantifiziert werden kann. Sie lassen sich nach Schüttel-, Säulen- und Standverfahren sowie speziellen auf den Tunnelbau abgestimmten Verfahren unterscheiden. Die Analyse der Verfahren zeigt, dass die Schüttelverfahren trotz ihrer einfachen und schnellen Durchführbarkeit zur Beurteilung des Langzeitauslaugungsverhaltens einer Spritzbetonschale eher ungeeignet sind und vielmehr zur Bestimmung der chemischen Charaktereigenschaften eines Stoffes herangezogen werden können. Bei dem FIZ-Durchflussverfahren sowie dem ISE-Verfahren, die zu den Säulenverfahren zu zählen sind und speziell für zementverfestigtes Prüfgut entwickelt wurden, ist durch die festgelegte Größe der Probekörper eine gute Reproduzierbarkeit der Versuche gegeben. Die aufwendige Versuchsdurchführung beim FIZ-Verfahren sowie die hohe Wasserdurchlässigkeit der Proben beim ISE-Verfahren machen allerdings ihren Einsatz zur Untersuchung des Auslaugverhaltens von Spritzbeton unzweckmäßig. Die Standverfahren, zu denen auch das Trogverfahren nach ÖNorm S 2072 zählt, welches die Spritzbeton-Richtlinie des Österreichischen Betonvereins vorgibt, zählen zu den praxisnahen Auslaugtests. Allerdings wird ihr Einsatz durch eine vergleichsweise kurze Versuchsdauer zur Beurteilung des Langzeitauslaugungsverhaltens eingeschränkt. Zu den speziell auf den Tunnelbau abgestimmten Verfahren zählen die Umströmungsplatte (System Philipp Holzmann), die Durchströmungszelle (TU München) sowie die Umströmungsanlage (Ruhr-Universität Bochum). Durch ihre realistische Simulation der natürlichen Gegebenheiten liefern sie aussagekräftige Ergebnisse, die zudem gut reproduzierbar sind. Aufgrund der unterschiedlichen Versuchsprinzipien sind die Ergebnisse der Verfahren quantitativ nicht miteinander vergleichbar. Zudem fehlen Grenzwerte, die eine direkte Beurteilung des Auslaugverhaltens zulassen. Als Hauptverursacher der Auslaugungserscheinungen des Spritzbetons werden die besonders leicht wasserlöslichen Alkalien im Zementstein gesehen, die vor allem über die alkalihaltigen Beschleuniger in den Spritzbeton gelangen. Untersuchungen der Ruhr-Universität Bochum belegen, dass sowohl mit alkalifreien als auch mit alkaliarmen Beschleunigern, ergänzt mit SiO2-Zusatzstoffen, eine erhebliche Reduzierung der Calciumauslaugung gegenüber den alkaliarmen Beschleunigern erreicht werden kann. Dies ist um so bedeutender, da durch die Calciumauslaugung die Versinterungen der Dränageleitungen maßgeblich hervorgerufen werden. Sowohl aus materialtechnologischer als auch aus arbeitshygienischer Sicht empfiehlt es sich daher, zukünftig als Regelfall alkalifreie Beschleuniger einzusetzen. Zudem sollten Zuschlagstoffe mit einem niedrig wirksamen Alkaligehalt zum Einsatz kommen. SiO2-Zusatzstoffe können wesentlich zu einer Reduzierung der Auslaugungserscheinungen beitragen. Ihr Einsatz ist daher zu empfehlen. Auf die Prüfung des Auslaugverhaltens sollte trotz fehlender Grenzwerte nicht verzichtet werden. Durch die Festlegung von Mindestanforderungen an das Prüfverfahren lassen sich aussagekräftige und reproduzierbare Ergebnisse erzielen.
In der jüngeren Vergangenheit hat sich gezeigt, dass Straßentunnel durch größere Brände in erheblichem Umfang geschädigt werden können. In der Folge wurden verschiedene internationale Forschungsprojekte durchgeführt, um den baulichen Brandschutz von Straßentunneln weiterzuentwickeln. Aufbauend auf den internationalen Forschungsprojekten wurden vom BMVBS und der BASt drei nationale Forschungsprojekte zum baulichen Brandschutz von Straßentunneln initiiert. In diesen Projekten wurden vorhandene Temperatur-Zeit-Verläufe (sog. "Brandkurven") für Straßentunnel, Brandversuche in Tunneln und reale Brände in Straßentunneln im Hinblick auf eine mögliche Anwendung zur Bemessung des baulichen Brandschutzes von Straßentunneln analysiert. Außerdem wurden die Temperatureindringung in die Tunnelinnenschale und die Tragfähigkeit von üblichen Tunnelquerschnitten infolge Brandeinwirkung numerisch ermittelt. Schließlich wurde anhand von Brandversuchen an großmaßstäblichen Probekörpern die Wirkung von PP-Faserbeton auf das Abplatzverhalten von Innenschalenbeton untersucht. Über das Vorgehen und die Ergebnisse dieser Forschungsprojekte wird im Folgenden berichtet.
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.
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.