The Norwegian Method of Tunneling. Ein Überblick über das Tunnelvortriebsverfahren beim Eiganestunnelprojekt in Stavanger

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung

2. Die Norwegian Method of Tunneling

3. Das Projekt Eiganestunnel

4. Die Umsetzung der NMT im Eiganestunnelprojekt

5. Tunnelvortriebskreislauf
5.1 Bewerten des Felsgesteins (Q-System)
5.2 Bohren
5.3 Sichern
5.3.1 Spritzbeton
5.3.2 Anker
5.3.3 Ausbaubögen
5.3.4 Ortbetonschalen
5.4 Vorauseilende Sicherungsmaßnahmen
5.4.1 Spieße
5.4.2 Injektionsschirme
5.5 Laden und Sprengen
5.6 Schuttern und Beräumen
5.7 Bereißen und Berauben
5.8 Innenschale für Wasser- und Frostschutz

6. Zusammenfassung

7. Literaturverzeichnis

8. Abbildungsverzeichnis

1. Einleitung

Die geographischen Dimensionen Norwegens sind immens und werden von Menschen außerhalb des Landes oftmals unterschätzt. Von der Südspitze des Landes bei Kristiansand zum Nordkap sind es rund 1700 km Luftlinie, was der ungefähren Entfernung von Frankfurt am Main zur Insel Malta entspricht.

Über die Hälfte der Oberfläche ist Gebirge, lediglich 2,8% des norwegischen Landes ist landwirtschaftlich nutzbar (vgl. NFF 2014a, S.1). Die Landschaft ist geprägt von hohen Bergen, langen, tiefen Fjorden und zahlreichen Tälern, die eine zuverlässige Verbindung zwischen den lediglich insgesamt 4,5 Millionen Einwohnern erschweren.

Untergrundkonstruktionen wie Tunnel, aber auch die Fährverbindungen über die Fjorde, sind daher ein wesentlicher Bestandteil des norwegischen Infrastrukturnetzes: insgesamt verfügt das Land über 1750 Verkehrstunnel, 4000 km Wasserkrafttunnel und weitere

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Bild 1: Typische Topographie Norwegens (Eigene Aufnahme)

3000 Kilometer an Versorgungstunneln (vgl. NFF 2014c, S.15). Zusätzlich gibt es, begünstigt und bedingt durch die topographischen Einschränkungen, hunderte von Kavernen, die als Lager für Öl oder Erdgas, als Parkhäuser, als Trink- und Abwasserspeicher oder als Wasserkraftwerke genutzt werden (vgl. NFF 2014b, S.7).

Das hohe Alter des Großteils des norwegischen Gebirges, 70% sind präkambrische Gesteine wie Gneis und Granit, und die damit einhergehende Stabilität, führten bereits im 15. Jahrhundert zu organisiertem Tunnelbau, der sich, insbesondere nach der Entdeckung von Silbervorkommen im Jahr 1624, zunehmend professionalisierte und Ausgangspunkt zahlreicher Innovationen im Stollen- und Tunnelvortrieb wurde (vgl. NFF 2014a, S.4). Die Förderung von fossilen Energieträgern reichte zum Ende des 19. Jahrhunderts, mit dem Einsetzen der Industrialisierung, nicht mehr aus und wurde die Basis für die Erschließung neuer Energiequellen. Hierfür eigneten sich die scheinbar unerschöpflichen Frischwasserquellen in Form von Seen, Flüssen und Wasserfällen im gesamten Land. Bereits 1895 sicherte sich der norwegische Staat die alleinigen Wasserrechte am Paulenfoss (Wasserfall) zur Gewinnung von Hydroenergie und schaffte hierdurch die Grundlagen für einen bis heute andauernden Lernprozess über das Bauen mit und im Fels (vgl. Statkraft 2009). Doch obwohl die geologischen Bedingungen für den Tunnelbau in Norwegen im Allgemeinen als günstig einzuschätzen sind, gibt es zahlreiche Schwachzonen in den Felsformationen. Als Schwachzonen gelten Bereiche im Fels, in denen das Gestein signifikant schwächer ist als das umgebende Material. Sie können unterschiedliche Ausprägungen haben und Klüfte, Wasseranstauungen oder auch

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Bild 2: Beispiel von Schwachzonen im Fels (Palmström und Berthelsen 1988, S.5)

Tonablagerungen sein. Sie machen zumeist lediglich 1% - 15% einer durchschnittlichen Gesamttunnellänge aus, sind jedoch zu einem großen Teil bestimmend für die Wirtschaftlichkeit und den Erfolg eines jeden Projektes (vgl. Palmström und Berthelsen 1988, S.5). Bild 2 stellt exemplarisch die Herausforderungen durch Schwachzonen im Fels anhand einer Risskarte dar. Um flexibel, aber trotzdem sicher durch diese Schwachzonen bauen zu können, war die Entwicklung von neuen bzw. angepassten Techniken und Methoden notwendig.

So wurde in Norwegen zu Beginn der 1970er Jahre eine Methodik entwickelt, das sogenannte Q-System, nach welcher der Fels, basierend auf empirischen Fallstudien, sicher bewertet und auf diesen Einschätzungen aufbauend eine angemessene und dauerhafte Sicherung des Gesteins bestimmt werden kann. Das System deckt eine große Bandbreite an Felsqualiät ab und ermöglicht erstmals eine umfassende und systematische Begutachtung und Bewertung. Durch das ständige Ausreizen bekannter Risiken beim Tunnelvortrieb und dem Versuchen des bis dahin (Un-)Möglichen (vgl. NFF2014c, S.16), konnte eine kostensparende und zügige Vortriebsart entwickelt werden, die inzwischen als Norwegian Method of Tunneling (NMT) bekannt geworden und Gegenstand dieser Arbeit ist.

Das Ziel der vorliegenden Ausarbeitung ist es, die wesentlichen Bauverfahren der NMT vorzustellen, indem die einzelnen Arbeitsschritte vorgestellt und erläutert werden.

Beginnend mit einer kurzen Vorstellung des Beispielprojektes in Stavanger, in dessen Rahmen diese Arbeit entstanden ist, werden die unterschiedlichen Verfahrensschritte bei der Umsetzung der NMT in jeweils einzelnen Kapiteln beschrieben und bewertet. Hierbei wird ein kompletter Kreislauf des Vortriebes vorgestellt: angefangen bei der Begutachtung und Bewertung des Fels über die Sprengung bis zum anschließenden Aufbau der typischen Innenschale.

Einige Spezialthemen, die zwar bei der NMT eine wichtige Rolle spielen und mitunter auch eine NMT-spezielle Ausprägung haben, können im begrenzten Rahmen dieser Ausarbeitung nicht bearbeitet werden. Hierzu zählen die Themen der Vertragsgestaltung und die damit einhergehende besondere Aufteilung der Risiken zwischen Auftraggeber und -nehmer, die Darstellung der Material- und Ausführungskontrolle (Qualitätskontrolle), die Entwässerung sowie die Themenfelder Bewetterung, Sicherheit und Gesundheit sowie Vermessung. Auch auf die Möglichkeiten der Vorerkundung des Gesteins und den norwegischen Besonderheiten hierbei kann aus Platzgründen nicht eingegangen werden.

Um die Innovationskraft und den Willen zur Umsetzung ingenieurtechnischer Leistungen am Limit zu verdeutlichen, die auch Grundlage für die Entwicklung der NMT vor einigen Jahrzehnten war, seien hier noch drei weitere spektakuläre Tunnelprojekte aufgezählt, die das Potential haben, die Grenzen des Baubaren nachhaltig zu verschieben: Während zum Zeitpunkt des Verfassens dieser Arbeit bei Stavanger der weltweit tiefste Unterseeverkehrstunnel (ca. 292m unter der Wasseroberfläche) der Welt gebaut wird („Solbaktunnelen“ vgl. SVV 2015), wurde der Bau des weltweit ersten Schifftunnels beschlossen („Stad Ship Tunnel“, vgl. TNC 2016) und weitere spektakuläre Ideen, wie schwimmende Tunnel, werden auf ihre Realisierbarkeit hin untersucht („Sognefjord“, vgl. SVV 2011).

2. Die Norwegian Method of Tunneling

Die NMT zählt zu den geschlossenen Tunnelbauweisen im Sprengvortrieb. Während es in den 1970ern und 1980ern auch einige Tunnelprojekte gab, die mittels Tunnel Boring Machines (TBM) umgesetzt wurden, wie es heutzutage in vielen Baustellen üblich ist, setzte das oftmals sehr harte Gestein in Norwegen den eingesetzten Materialien zu sehr zu und führte zu hohen Verschleißraten (vgl. NFF 2014d, S.44 ff). Erst mit der Entwicklung neuerer, widerstandsfähigerer Materialien und einer dadurch wirtschaftlicheren Anwendung werden wieder erste Projekte mit TBM in Norwegen geplant und umgesetzt (vgl. TunnelTalk 2015). Der Sprengvortrieb gilt als konventionelle Vortriebsmethode, kann aber, in Abhängigkeit von den lokalen Gegebenheiten, deutlich wirtschaftlicher sein als der Einsatz von TBM (vgl. Boley 2012, S.824). Insbesondere in Norwegen, wo die Tunnel eng und kurvenreich und zudem mit variierenden Tunnelprofilen gebaut werden, kann der Sprengvortrieb seine Vorteile voll ausspielen. Die Geschwindigkeit des Vortriebes konnte in den letzten Jahrzehnten durch eine zunehmende Mechanisierung und Digitalisierung stark gesteigert werden (vgl. NFF 2014a, S.10-13).

Der Vortrieb mittels Sprengungen und eine anschließende Sicherung des Gesteins durch Spritzbeton sind natürlich alleinig noch nicht ausreichend, um eine eigene Vortriebsart zu charakterisieren. Bild 3 stellt daher zusammenfassend die Grundelemente der NMT vor. Die zentralen bauverfahrenstechnischen Merkmale sind die Felsklassifizierung mittels des Q-Systems und die Einheit von temporärer und permanenter Sicherung in einschaliger Bauweise. Das Quality-System (Q-System) dient der Beschreibung der Felsqualität und der sich daraus ableitenden Methoden der

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Bild 3: Grundelemente der NMT (Barton 2012)

Ausbausicherung. Basierend auf der von Deere entwickelten Felsklassifikation RQD nach der Anzahl und Lage vorhandener Gesteinsklüfte (vgl. Deere 1963), entwickelten Barton und Grimstad ab 1974 eine erweiterte empirische Beschreibungsformel, welche regelmäßig aktualisiert wird und die Erfahrungen aus mehreren tausend internationalen Projekten aufgreift (vgl. Kapitel 5.3.1).

Die Sicherung des Tunnels bei der NMT basiert auf dem Einbau einer möglichst flexiblen und kostengünstigen, zudem aber auch zuverlässigen und haltbaren Innenschale. Diese besteht in der Regel aus (stahl)faserbewehrtem Spritzbeton und Felsankern. Durch die Anwendung von faserbewehrtem Spritzbeton kann auf Bewehrungsmatten, welche bei der Österreichischen Tunnelbaumethode (New Austrian Method of Tunneling - NAMT) Anwendung finden, verzichtet werden, wodurch die Schale garantiert jederzeit den direkten Kontakt mit dem Fels behält (vgl. Ausführungen in Kapitel 5.6.2). Sinn des Spritzbetons ist es auch, neben der gesteigerten Stabilität, eine dichte Schale kurz nach der Sprengung herzustellen, um die oftmals wasserführenden Schichten im Fels zu blockieren und dadurch eine relativ trockene Baustelle zu ermöglichen. Essentiell bei der NMT ist zudem eine besonders hohe Qualität der verwendeten Felsanker in Bezug auf deren Dauerhaftigkeit, da diese, im Gegensatz zu anderen Tunnelbaumethoden, bereits als temporäre Stützung eingebaut, anschließend als permanente Sicherung genutzt werden und daher jahrzehntelang dem aggressiven Umfeld im Gestein trotzen müssen (vgl. Chapman et al 2010, S.113). Deshalb sind die Anker vierfach gegen Korrosion geschützt (vgl. Kapitel 5.6.1). Die NMT gilt, durch den Verzicht auf aufwendige In-Situ-Betonagen als zweite Schale und eine möglichst minimale zusätzliche Stützung des Fels, als eine kostengünstige und schnelle Vortriebsmethode (vgl. Austin und Robins 1995, S.158).

Ein weiteres zentrales Merkmal der NMT ist deren Spezialisierung auf den Umgang mit Wasser im Boden/Fels (vgl. Palmström 2014, S.6): Da die Grundwasserspiegel im Allgemeinen dicht unter der Bodenoberfläche liegen und viele wasserführende Klüfte und Schichten die Felsen durchlaufen, werden in regelmäßigen Abständen Probebohrungen an der Tunnelortsbrust vorgenommen, um die zu erwartende Wassermenge zu bestimmen und eventuell die folgenden Tunnelabschnitte mit einem Injektionsschirm aus Zementsuspension mit hohem w/z-Wert vor Wassereinbrüchen zu sichern.

Zentral ist bei der Anwendung der NMT aber auch die Erfahrung der das Gestein bewertenden Geologen, weshalb mitunter gesagt wird: „when experienced use the Q- System, when uncertain, use N MT“ (Cała 2003, S.8). Mit dem Ausspruch wird darauf angespielt, dass bei der Umsetzung von NAMT die starre, in-situ eingebrachte Betonschale eine sichere und zuverlässige Sicherungsmethode ist, während die NMT eine möglichst sparsame, einschalige Sicherung installiert, dabei aber das Fehlen von gerechneten und theoretisch garantierten Sicherheitsfaktoren bei der Zuverlässigkeit der Konstruktion in Kauf nimmt.

Ein wirtschaftlicher Vorteil der NMT, im Vergleich zur oft als konkurrierend empfundenen NAMT, ist der deutlich geringere Personalaufwand im Verhältnis von bis zu 1:10 sowie ein damit verbundener Kostenvorteil im Verhältnis 1:3 bis 1:5 in Abhängigkeit des vorhandenen Felsgesteins (vgl. NFF 2014c, S.62). Da auf aufwendige Schalarbeiten für eine zweite dicke Betonschale verzichtet werden kann, werden lediglich 3 Arbeiter pro Ortsbrust benötigt, die jeweils ihre spezialisierten Aufgabenbereiche haben, aber letztlich alle anfallenden Aufgaben, vom Bohren über das Auftragen des Spritzbetons bis zum Installieren der Ausbaubögen, übernehmen können (vgl. NFF 2014b, S.35) .

Durch die hohe Anzahl von Parallelvortrieben im Eiganestunnelprojekt können Arbeiten an verschiedenen Ortsbrüsten zeitgleich durchgeführt werden: zum Beispiel kann der Bau der Sicherung von 2 Arbeitern an einer Ortsbrust ausgeführt werden, während an einer benachbarten Ortsbrust gerade die Sprenglöcher von dem dritten Arbeiter gebohrt werden. Statistisch kommen daher bei diesem Projekt sogar nur 2,5 Arbeiter auf eine Ortsbrust (Interview 22.06.2016).

So sind Spezialisten, die trotzdem ein breites Aufgabenspektrum übernehmen können, das Rückgrat der NMT; bei den Ankern wie bei den Tunnelarbeitern.

Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass, basierend auf einer ständigen Überwachung des Gesteins auf Basis des Q-Systems, die Anwendung der NMT ermöglicht, Schwachzonen im Fels mit minimalem Aufwand an Zeit und Geld zu überbrücken und Wasser effektiv abzuschirmen, wodurch ein zügiger Tunnelbaufortschritt gewährleistet wird. Hierfür wurden distinkte Variationen von allgemein üblichen Bauverfahren entwickelt (vgl. den speziellen Korrosionsschutz der Felsanker oder die Nutzung von vor Ort gefertigten bewehrten Spritzbetonbögen), die in jahrzehntelanger Anwendung und Erforschung den lokalen Erfordernissen angepasst wurden.

Bild 4 zeigt den endgültigen Aufbau eines typischen Verkehrstunnels nach NMT: direkt auf der Felsoberfläche wird der bewehrte Spritzbeton aufgebracht und gegebenenfalls mit Felsankern gesichert.

Für eine sichere Durchfahrt sind Betonelemente mit einigem Abstand zum Spritzbeton als Aufprallschutz aufgebaut und mit einer Schaummembran überdeckt, um noch anfallendes Wasser von der Fahrbahn abzuleiten (vgl. Kapitel 5.7).

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Bild 4: Aufbau eines Verkehrstunnels nach NMT (SVV 2012, S.5, eigene Übersetzung)

Trotz der relativ klaren Vorgehensweise ist NMT kein stehender Begriff, denn es wird weiterhin diskutiert, wie genau sich die einzelnen Vortriebsmethoden im Tunnelbau unterscheiden und als Konsequenz entsprechend definieren. Während einige Autoren auf eine Benennung der Verfahren verzichten oder die NMT lediglich als Ansatz bewerten (vgl. Kolymbas 2011, S.468), gibt es Versuche, eine klare Abtrennung zu vollziehen (vgl. Cała 2003, Karakuş und Fowell 2004), aber auch noch andauernde Debatten (vgl. Wallis 2012). Letztlich scheint eine einwandfreie Unterscheidung schwierig, da sich für jeweils ähnliche geologische Bedingungen auch entsprechend ähnliche Bauverfahren entwickelt haben. Die in dieser Arbeit dargestellte Vortriebsmethode der NMT zeichnet sich durch einen effizienten und schnellen Vortrieb aus und wird inzwischen, wo die geologischen Voraussetzungen und das notwendige Fachwissen gegeben sind, auch in anderen Ländern, wie China, Indien oder Großbritannien, umgesetzt. An ihre Grenzen der Anwendung stößt die NMT jedoch in Lockergestein und sandigen Böden, da die Empfehlungen des Q-Systems, die Grundlage für die Felsbewertung und die verwendete Sicherungsmethode, aus Vergleichsprojekten mit mehrheitlich festem Gestein entwickelt wurde. In dieser Gesteinsart besteht die Hauptgefahr aus dem Herausbrechen von Gesteinsblöcken. Das Zusammenfallen bei sandigen Böden kann daher nicht ausreichend sicher durch die NMT verhindert werden.

Allerdings gibt es umfangreiche Erfahrungen im Umgang mit teils ausgedehnten Schwachzonen im festen Gestein, die letztlich auch bei einer Anwendung in anderen Gesteinszonen hilfreich erscheinen. Eine Reduzierung der unterschiedlichen Tunnelvortriebsmethoden alleinig auf ihre scheinbare Spezialisierung auf bestimmte Gesteins- und Bodenarten erscheint daher wenig zielführend.

3. Das Projekt Eiganestunnel

Der Eiganestunnel unter der Stadt Stavanger ist Teil des Ausbaus der Europastraße 39, die im Süden im dänischen Ålborg beginnt und in Norwegen, in Kristiansand beginnend, an der Küste entlang bis nach Trondheim im Norden verläuft. Der norwegische Teil ist ungefähr 1100 km lang und wird derzeit noch von insgesamt 8 Fährverbindungen unterbrochen. Bis zum Jahr 2033 möchte die norwegische Straßenverkehrsbehörde (Statens Vegvesen, SVV) auf der gesamten Strecke sämtliche Fährverbindungen durch Tunnel oder Brücken ersetzen und investiert hierfür 25 Milliarden US$ (vgl. SVV 2014, S.3).

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Bild 5: Verlauf der E39 (SVV 2014a, S.2)

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Bild 6: Projektübersicht Ryfast und Eiganestunnel (SVV 2013, S.6)

Der Eiganestunnel, in Bild 6 rot markiert, soll ab 2019 zum einen eine Verbindung zu den Tunneln Richtung Osten herstellen und zum anderen den Verkehr auf der E39 nach Norden unter der Stadt Stavanger hindurchführen. Der Bau begann im Frühling 2014 und soll bis Ende 2018 abgeschlossen sein. Dadurch soll das derzeit teils überlastete regionale Straßennetz spürbar entlastet, Reisezeiten deutlich verkürzt und planbarer gemacht sowie die Sicherheit für alle Verkehrsteilnehmer erhöht werden (vgl. SVV 2013, S.4). Der Tunnel wird dann eine Gesamtlänge von 3,7km haben und wird als Doppelröhre realisiert. An die beiden Hauptröhren mit jeweils 2 Fahrspuren schließen sich mehrere Verzweigungen an, so dass während der Bauzeit der Tunnelvortrieb an bis zu 10 Ortsbrüsten gleichzeitig stattfindet. Insgesamt werden ungefähr 10,4km Tunnelmeter gebaut. Auf Bild 7 ist eine Übersicht über das für die Arbeit als Beispiel herangezogene Tunnelprojekt gegeben.

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Bild 7: Übersicht Eiganestunnel (SVV 2014b)

Der Regelquerschnitt beträgt 9,5m, im Bereich von Querschlägen vergrößert er sich auf 12,5m und in den Bereichen der Auf- und Abfahrten variiert er zwischen 7,5m und 9,3m (vgl. Norconsult 2013, S.8). Das Vorhaben ist als geotechnische Kategorie 3 nach Eurocode 7 klassifiziert (vgl. Norconsult 2013, S.10) und findet, da die dichte Stadtbebauung vertikal im Extremfall weniger als 5m Abstand Fels zu den Tunnelröhren und den damit verbundenen Spreng- und Bauarbeiten hat, unter erschwerten Bedingungen statt (vgl. Norconsult 2013, S.35). Hierzu gehört ebenso die oberirdische Lage der Großbaustelle innerhalb eines besiedelten Gebietes, wodurch zahlreiche Menschen von den Bauarbeiten in ihrem Alltag direkt betroffen sind, sei es durch den Lärm der Arbeiten, die Einschränkungen im Verkehr oder die Erschütterungen durch die Sprengungen. Daher ist die Kommunikation mit der Öffentlichkeit, inklusive einer möglichst transparenten Darstellung aller anfallenden Arbeiten und Störungen, ein wichtiger Bestandteil für eine erfolgreiche Umsetzung des Projektes.

Neben den eigentlichen Tunnelröhren werden zusätzlich zahlreiche Verkehrswege um- und neugebaut, mehrere technische Gebäude für den späteren Betrieb und acht Portale in offener Tunnelbauweise hergestellt.

4. Die Umsetzung der NMT im Eiganestunnelprojekt

Wie aus der Praxis wohlbekannt, ist die praktische Umsetzung theoretischer Vorgaben und Konzepte meist mit Abweichungen verbunden. So gibt es auch im Eiganesprojekt Unterschiede zur theoretischen Darstellung der NMT.

Wobei anzumerken ist, dass die Evaluierung des Gesteins, die sich daran orientierende Sicherung eines Tunnels sowie die dabei verwendeten Materialien und Verfahrensschritte in Theorie wie auch Praxis auf Erfahrungen anderer Projekte beruhen und daher empirisch zusammengetragen und ausgewertet wurden. Das bedeutet, dass die theoretische beschriebene Vorgehensweise zwangsläufig letztlich immer nur eine Empfehlung darstellt und praktische Abweichungen möglich sind.

Konkret ist bei der NMT vorgesehen, dass sich der Auftraggeber und der Auftragnehmer eines Projektes gemeinsam, und unter zusätzlicher Einbeziehungeines externen Geologen, nach jeder Sprengung die Ortsbrust begutachten und sich auf die notwendigen Sicherungsmethoden einigen. Grundlage hierfür ist die Idee, dass, insbesondere bei Schwachzonen im Gestein, möglichst effizient die Erfahrungen und das Wissen aller beteiligten Parteien zusammengetragen werden kann, um einen für alle zufriedenstellenden Plan des weiteren Vortriebes zu beschließen. Auch sollen hierdurch mögliche (juristisch langwierig ausgetragene) Konflikte frühzeitig durch einen ständigen gemeinsamen Dialog entschärft und/oder vermieden werden.

Im Eiganestunnelprojekt liegt die Planung jedoch ausschließlich in der Hand des Auftraggebers und Implenia übernimmt als Bauunternehmen die Ausführung. Diese Aufteilung bestätigt sich mit der Erfahrung aus den letzten Jahren, der zufolge der kooperative Geist zunehmend verdrängt wird und dabei auch die Anzahl juristischer Auseinandersetzungen steigt (vgl. NFF 2014c, S.140f).

Zudem gibt es Abweichungen im Bau der zusätzlichen Felssicherung. Statt des Einbaus von Ausbaubögen aus alleinig vor Ort hergestellten bewehrten Spritzbetonbögen zur Tunnelsicherung in Schwachzonen, die aus üblichem Bewehrungsstahl händisch hergestellt und anschließend mit Spritzbeton ausbetoniert werden, wird die Felssicherung teilweise mit vorbestellten Gitterträgern vorgenommen. Dies ist sicherlich der ungewöhnlichen Länge der spezifischen Schwachzone von deutlich über 100 m und dem geringen Einbauabstand der Ausbaubögen von 1,5m geschuldet, ist jedoch nicht mit der Anwendung des Q-Systems abgestimmt, da die vorgefertigten Gitterträger zu unflexibel sind, unnötige Deformationen provozieren und bereits zu Zusammenbrüchen in Tunneln geführt haben (vgl. Barton 2012, S.2). Im Eiganesprojekt wurde die Nutzung der vorgefertigten Bögen separat von einem externen Planungsbüro berechnet, so dass es, bezogen auf die theoretische Belastbarkeit, keine Bedenken gibt (Interview 22.06.2016). Das Spannungsfeld der konträren Positionen bleibt aber erhalten.

In den Tunnelabschnitten, in denen sich zwei Tunnelröhren überkreuzen, wird die untere Tunnelröhre mit einer Ortbetonschale versehen, um die Lasten abfangen zu können. Dies ist notwendig, da der Abstand zwischen den Röhren minimal ist und das Gestein alleine nicht tragen würde. Ortbetonschalen sind jedoch ursprünglich kein Bestandteil der NMT.

Eine weitere Einschränkung erfährt die NMT in der hiesigen Umsetzung durch den, bereits oben beschriebenen Umstand, dass der Bau des Tunnels direkt unter einer Stadt vonstattengeht und der Bauherr die Einschränkungen der Bevölkerung durch die Baustellte möglichst gering halten möchte. Dies zielt insbesondere auf die Lautstärke (Bohren, Sprengen, allgemeine Großbaustellengeräuschkulisse) und auf Erschütterungen ab. Es gibt, systematisch um das Baugebiet verteilt, zahlreiche Messpunkte, an denen die Vibrationen am Außenbauwerk gemessen werden. Es ist vorgeschrieben, dass die gemessenen Erschütterungen die Wertezwischen 25mm/s und 40mm/s nicht überschreiten dürfen. Um diese Vorgabe einzuhalten, werden die Sprengabschnitte auf teils deutlich unter den Standardabschlag von 5m gekürzt und zusätzlich die Ortsbrust bei Bedarf geteilt. Außerdem gibt es eine streng einzuhaltende Nachtruhe von Montag bis Sonnabend zwischen 23.00 Uhr bis 7.00 Uhr sowie ganztägig an Sonn- und Feiertagen. Zwar sind die Arbeiten dadurch für die Anwohner erträglicher gestaltet, jedoch geht diese Rücksichtnahme zu Lasten der Vortriebsgeschwindigkeit.

5. Tunnelvortriebskreislauf

Der Sprengvortrieb besteht aus mehreren wiederkehrenden Arbeitsschritten, an deren Abfolge sich die vorliegende Arbeit orientiert. Da der Kreislauf, dem Namen entsprechend, eine wiederkehrende Reihenfolge von Schritten darstellt, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten, den Anfangspunkt zur Beschreibung zu wählen.

Eine Ausnahme bildet, in der vorliegenden Arbeit, das Bohren. Obwohl mit dem Begriff „Bohren“ oftmals das Herstellen der Sprenglöcher gemeint ist und es daher einen eigenes Bauverfahren darstellen kann, wird bei der Mehrheit der hier genannten

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Bild 8: Übersicht Verfahrensschritte beim Sprengvortrieb (Sandvik 2009, S.2)

Tunnelvortriebsverfahren im Fels gebohrt. Da die Vorgehensweise im Prinzip dabei immer dieselbe ist, wird eingangs in einem separaten Kapitel das Bohrverfahren vorgestellt und gilt daher für sämtliche Bohrtätigkeiten im Rahmen des Vortriebes.

Ein neuer Vortriebsabschnitt startet in der folgenden Darstellung an der freigeräumten Ortsbrust und besteht aus den folgenden Verfahrensschritten: nach einer Sprengung wird mit der geologischen Evaluierung des sichtbaren Gesteins, d.h. dem Bestimmen der Felsklasse mittels des Q-Systems begonnen. Zusätzliche Informationen können die alle 15m durchgeführten Erkundungsbohrungen, mithilfe derer die bei den weiteren Sprengabschnitten zu erwartenden Wassermengen und, durch Messung des Bohrwiderstandes, eventuelle Schwachstellen vorab abgeschätzt werden, erbringen (Interview 22.06.2016).

Auf dieser Evaluierung aufbauend, wird die Art der notwendigen Sicherung festgelegt.

Der freiliegende Abschnitt muss zunächst gesichert werden. Dies geschieht mit einem temporären Fokus, zur Sicherung des Arbeitsraumes für die Arbeiter, und mit einem permanenten Fokus, zur Stabilisierung des Tunnels während der späteren Nutzung.

Zuerst wird eine Schicht faserbewehrter Spritzbeton aufgetragen, der das Tunnelprofil stabilisieren soll. Soweit notwendig, dies ist fast immer der Fall, werden als nächstes die Felsanker installiert. Danach werden, abhängig von den geltenden Sicherungsanforderungen, weitere stützende Konstruktionen in Form von Ausbaubögen oder Ortbetonschalen eingebaut. Wobei letztere kein originärer Bestandteil des allgemeinen Vortriebes bei der NMT ist und lediglich in extrem schwachen Gesteinszonen eingebaut wird.

Erscheint es notwendig, basierend auf den Erkenntnissen durch die Erkundungsbohrungen, den kommenden Tunnelabschnitt zusätzlich vor anstehendem Wasser abzuschirmen, wird ein Injektionsschirm um das Tunnelprofil hergestellt. Besteht aufgrund schlechter Felseigenschaften die Gefahr von erheblichen Unter- oder Oberprofilen, oder wird der Fels als unzureichend frei standsicher eingestuft, wird als vorauseilende Sicherungsmaßnahme ein Ring aus tragenden Spießen in der Ortsbrust installiert.

Sind die Vorarbeiten im Profil beendet, werden die Löcher für die Sprengladungen in die Ortsbrust gebohrt. Es folgen das Laden der Löcher und die eigentliche Sprengung.

Anschließend wird das gesprengte Gestein von der Ortsbrust wegbefördert und schließlich aus dem Tunnel transportiert. Zudem ist es erforderlich, loses Gestein zu entfernen, um den neu entstandenen Arbeitsraum zugänglich und sicher zu machen.

Abschließend beginnen die Vorbereitungen für die nächsten Abschnitt, indem der gemachte Fortschritt vermessen und dann die Ortsbrust, mit dem Beginn eines neuen Vortriebskreislaufes, erneut begutachtet wird.

Die weiteren Unterkapitel widmen sich den genannten Arbeitsschritten ausführlicher und erläutern die hierbei genutzten Bauverfahren.

Das Kapitel 5.8 stellt zusätzlich die Herstellung des inneren Tunnelausbaus dar, der zwar kein direkter Arbeitsgang im Tunnelvortriebskreislauf ist, jedoch bereits parallel zum Tunnelvortrieb begonnen werden kann und den eigentlichen Tunnelbau, inklusive der notwendigen Drainage, erst abschließt.

5.1 Bewerten des Felsgesteins (Q-System)

Die Grundlagen für das Q-System wurden in den frühen 1970er Jahren gelegt, als die Wissenschaftler N. Barton, R. Lien und J. Lunde durch das sorgsame Evaluieren von über 200 Erfahrungsberichten und Fallstudien vorangegangener Tunnelprojekte letztlich eine aus 6 Parametern bestehende Formel entwickelten und 1974 veröffentlichten, mit deren Hilfe Geologen und Ingenieure vorgefundenes Felsgestein zuverlässig klassifizieren können (vgl. Barton et al. 1974, S.192). Mit dem errechneten Q-Wert kann in einem Diagramm die erforderliche Sicherung abgelesen werden.

Die Formel setzt sich aus drei Bestandteilen zusammen: der erste Bruch gibt den Grad der Zerklüftung an, der zweite Bruch stellt die Scherkraft innerhalb der Klüfte dar und der dritte Bruch zeigt die Belastung durch Wasser- und Erddruck an. Das Ergebnis ist ein Wert auf einer logarithmischen Skala zwischen 0,001 und 1000, wobei der Fels mit der Größe der Zahl an Qualität zunimmt. Während der Wert 0,001 für stark zerklüftetes Gestein mit sehr kleiner Blockgröße, viel anstehendem Wasser und unter großem Druck steht, bedeutet der Wert 1000 massiver und trockener Fels.

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Bild 9: Formel des Q-Systems (NGI 2015, S.10)

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Bild 10: Darstellung extremer Q-Werte: links Q= 0,001 und rechts Q=1000 (NFF 2014c, S.47)

Die einzelnen Parameter werden mithilfe von Tabellen ausgewählt. Derzeit basieren die Empfehlungen für die Sicherung eines Tunnels auf über 2000 Referenzprojekten aus Skandinavien, Großbritannien und Hong Kong. Es ist daher ein quantitatives Klassifizierungssystem und kommt ohne zusätzliche Berechnungen aus. Der Vorteil des Systems liegt eben darin, dass während des Vortriebs eine zügige Bewertung der Felsqualität vorgenommen werden kann, die sich direkt auf die real-konkrete Beschaffenheit der jeweils vorliegenden Ortsbrust bezieht. Wobei bereits bei der Vorplanung und Erkundungsphase auf das Q-System zurückgegriffen werden kann, da sich im skandinavischen Gebirge, mit ihren in der letzten Eiszeit abgerundeten und kahlen Felsformationen, die groben Kluftsysteme bereits durch Luftaufnahmen bestimmen lassen und erste Einschätzungen ermöglichen.

Im Folgenden werden die einzelnen Parameter kurz erläutert und die Felsqualität im Eiganesprojekt dargestellt, bevor eine abschließende Bewertung in Bezug auf Einsatzmöglichkeiten und-einschränkungen des Q-Systems vorgenommen wird.

RQD:

Mit der Nutzung der Rock Quality Designation greifen die Autoren auf ein von Deere bereits 1963 veröffentliche zweidimensionale Klassifizierungssystem von Fels anhand der vorhandenen Gesteinsblockgröße zurück (vgl. Deere 1963). Ursprünglich basiert die Einteilungsskala auf Erkenntnissen aus Kernbohrungen und wurde definiert als die Summe der Länge der Zwischenräume durch Klüfte im Verhältnis zur Gesamtlänge einer Kernbohrung von mindestens 10cm Länge (vgl. NGI 2015, S.12). Dadurch wird die Länge der einzelnen Blöcke im Gestein bestimmt.

Mitunter ist allerdings keine Kernbohrung für einen bestimmten Abschnitt vorhanden. Dann wird der RQD aus der Formel

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berechnet. Es hat sich allerdings gezeigt, dass das in Relation setzen von RQD zu anderen Faktoren mit Schwierigkeiten verbunden ist. So wurden die Faktoren der oben genannten Formel mehrfach geändert und gelten seit 2005 (vgl. Palmström 2006, S.579).

Durch die Anwendung innerhalb der Tunnel kann die Größe der Blöcke auch dreidimensional bestimmt werden, weshalb die Wertung nicht mehr nach Prozent Länge einer Kernbohrung getroffen wird, sondern in Klüften pro m³ (vgl. NGI 2015, S.12).

Der folgende Tabellenauszug gibt einen Einblick in die Werteskala von RQD (NGI 2015, S.12):

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Bild 11: Tabellenauszug Bewertung RQD

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