mini|Tunnelbau Der Tunnelbau ist der Teilbereich des Tiefbaus, der sich mit der Herstellung unterirdischer Hohlräume (Tunnel, Stollen, Schächte, Kavernen u. Ä.) beschäftigt.

Es können zwei grundlegende Bauweisen unterschieden werden. Bei geringer Überdeckung kann die offene Bauweise angewandt werden. Bei großer Überdeckung erfolgt die bergmännische Ausführung im Untertagebau in geschlossener Bauweise, der teils auf Arbeitsweisen des Bergbaus beruht. Die heutigen modernen Formen des geschlossenen Tunnelbaus sind die Spritzbeton­bauweise gemäß NÖT oder der Einsatz von offenen bzw. Schildvortriebs-Tunnelbohrmaschinen. Es werden aber auch noch Stollen vorgetrieben, die mit Stempeln und Verbau gesichert und dann ausgezimmert/-gemauert werden. Dabei sind Erfahrungen aus dem Bau von Tonnengewölben hilfreich.

Grundzüge Der Tunnelbau zählt zu den faszinierendsten, aber auch schwierigsten Aufgaben im Baubereich. Zwischen dem dauerhaften Tunnelbauwerk, dem Ausbruch des erforderlichen Tunnelhohlraums und dem zu durchquerenden Gebirge bestehen direkte Abhängigkeiten. Das umgebende Gebirge wird für die Tragwirkung mit genutzt, wird also zum Baustoff. Der Ausbruch des Tunnelhohlraums vollzieht sich meist in Gebirgsformationen, die auf Grund ihrer Entstehung unterschiedlich geschichtet, zudem gefaltet und in verschiedener Weise der Verwitterung und dem Wasserzutritt ausgesetzt sind. Der Bauuntergrund weist mit seinen Materialeigenschaften und deren Kennwerten große Streubreiten auf, denen die Bauverfahren und vor allem ihre Sicherungsmaßnahmen Rechnung tragen müssen.

Voraussetzung Voraussetzung eines Tunnelbauvorhabens ist die genaue Kenntnis der geologischen Beschaffenheit und Festigkeit des Gebirges, der Gesteinsschichtung und -zusammensetzung und ihres Verlaufs sowie der Wasserführung der Gesteinsschichten, der auftretenden Drücke und die bodenmechanische Analyse. Umgrenzung des lichten Raumes, Stärke der Auskleidung, Abdichtung, Wasserführung und Belüftung werden im „Entwurfsquerschnitt“ beschrieben.

Im modernen Tunnelbau werden Brandschutzthemen in Form von Fluchtwegen, Notausstiegen, Brandmelde- und Sprinkleranlagen frühzeitig in die Planung mit einbezogen.

Begriffsklärungen

Allgemeines

Vortrieb – Gesamtheit aller Maßnahmen, die das Fortschreiten des Tunnelbaues beschreiben. Im Wesentlichen: Ausbruch, Schuttern und Sichern. Ausbruch – Entnahme von Boden oder Festgestein an der Ortsbrust. Haufwerk / Hauwerk – Ausgebrochenes Material (in der Regel Boden oder Festgestein) Schuttern – Entfernen des Haufwerkes aus dem Ortsbrustbereich Sichern – Einbau von Stützmittel, um Verformungen des Tunnels zu verringern und das Nachfallen von Material zu verhindern. Stützmittel – Tunnelschale meist aus Beton- oder Stahltübbingen (Fertigteile) oder Spritzbeton mit Bewehrung. Nachfallen – Ungewollter Ausbruch von mehr Material als vorgesehen während eines Abschlages.

Geometrie

Querschnitt mini|Begriffe im Tunnelquerschnitt

Im Tunnelbau werden Begriffe verwendet, die aus dem Bergbau stammen und daher nicht allgemeinverständlich sind. Die nebenstehende Grafik verdeutlicht die Bezeichnungen für den Tunnelquerschnitt. Kalotte – oberes Drittel des Tunnelquerschnitts Strosse – untere zwei Drittel des Tunnelquerschnitts Firste – Decke des Tunnels Ulme – Seitenwand des Tunnels Sohle – Boden des Tunnels Kämpfer – Übergang zwischen Firste und Ulme

Längsschnitt Beim Ausbruch des Tunnelhohlraums, also dem „Rohbau des Tunnels“, sind gebräuchlich: Abschlag – Entnahme des Bodenmaterials aus der Ortsbrust im zyklischen Vortrieb. (Abschläge verlängern den Tunnel und stellen den eigentlichen Vortrieb dar.) Ortsbrust – Ende des Tunnels, von welchem aus vorgetrieben wird. Ausbruchquerschnitt im Gebirge Abschlagstiefe – mögliche Ausbruchtiefe (in Tunnellängsrichtung) ohne Sicherung

Die Untertagebauten werden eingeteilt in: Tunnel – langgestreckte, horizontal oder nur wenig geneigt verlaufende unterirdische Hohlräume mit mehr als 25 m² Querschnitt, vorwiegend als Straßen- oder Eisenbahntunnel, Stollen – langgestreckte, horizontal oder bis 20 % geneigt verlaufende unterirdische Hohlräume mit weniger als 25 m² Querschnitt, vorwiegend als Wasser- und Luftleitung, zur Aufnahme von Leitungen oder als Zugang für andere Untertagebauwerke genutzt, Schächte – langgestreckte, schräg verlaufende (mehr als 20 % geneigte) oder senkrechte Hohlräume zur Überwindung von Höhenunterschieden, Aufgaben ähnlich wie Stollen, Kavernen – Felshohlräume mit großen Querschnitten bei relativ kurzer Länge, vorwiegend als Lager, Speicher oder zur Aufnahme von Maschinen, z. B. für Wasserkraftwerke, genutzt.

Sonstige mini|Längsschnitt des Gotthard-Basistunnels mit englischer Beschriftung – Zwischenangriffe bei Amsteg, Sedrun und Faido

Querschlag – Verbindungstunnel zwischen zwei (Haupt-)Tunneln. Zwischenangriff – bei längeren Tunnel wird häufig an mehr als zwei Stellen gleichzeitig mit dem Ausbruch begonnen. In den meisten Fällen erfordert das zusätzliche Schächte zur Erreichung dieser Punkte. Teilweise wird an dieser Stelle (dauerhaft oder nur für den Zeit der Bauarbeiten) auch eine Kaverne angelegt.

Tunnelbaugeräte mini|Bohrwagen mit zwei Lafetten für Sprengvortrieb

Im Tunnelbau werden unter anderem folgende Maschinen verwendet: Geräte zum Lösen des Gesteins (Bagger, Bohrhämmer, Drehschlagbohrmaschinen, Schrämmaschinen, Tunnelbohrmaschinen, Schildvortriebsmaschinen), Sprengmittel Geräte zum Laden des Gesteins (Schotterbänder, Stollen- oder Schaufellader, Radlader) Geräte zum Transport des Gesteins (Loren, Feldbahnen, Tiefmuldentransporter, Transportbänder) Geräte zum Betonieren (Betonpumpen, Betonspritzmaschinen („Spritzbüffel“), pneumatische Betonfördermittel, Schalwagen)

Bauweisen und Vortrieb Grundsätzlich wird zwischen offener und geschlossener (bergmännischer) Bauweise unterschieden. Bei einer offenen Bauweise, auch cut and cover-Verfahren genannt, wird der Tunnel gebaut, indem die gesamte Tunnelstrecke aufgegraben und nach dem Bau des Tunnels wieder eingeschüttet wird. Bei der geschlossener Bauweise, wird der der Tunnel von einem oder beiden Endpunkten her vorangetrieben.

Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist das Gebirge. Im Wesentlichen wird zwischen Festgestein und Lockergestein unterschieden. Lockergestein kann je nach Definition auch die feinkörnigsten Materialien wie Ton beschreiben. Auch die Einteilung in Festgestein (Fels der höchstens durch Klüfte zerstört ist), Lockergestein (Blöcke bis Schotter) und Boden (Feinkörnig) kann erfolgen.

Des Weiteren wird in zyklischen (Heutzutage meist NÖT – Neue Österreichische Tunnelbaumethode) und kontinuierlichen Vortrieb mit Tunnelvortriebsmaschine unterschieden.

Gerade bei längeren Tunneln in geschlossener Bauweise gibt es oft auch „Zwischenangriffe“, wobei zwischen den beiden Enden des Tunnels ein Schacht auf die Höhe der Tunnelsohle gebracht wird und von dort aus der Tunnel in eine oder beide Richtungen gegraben wird.

Der Durchstich oder Durchschlag, bei dem sich die beiden Vortriebsenden treffen, oder ein Vortrieb das Obertage erreicht, wird mit einer Feier begangen.

Zyklischer Vortrieb mini|Bohrarbeiten beim Bau der Tunnel der Jungfraubahn in den Schweizer Alpen (um 1900)

Der zyklische Vortrieb ist dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte (Teil- oder Voll-) Ausbruch, Schuttern und Sichern abwechselnd stattfinden. Der Ausbruch erfolgte vor der Verfügbarkeit von Maschinen händisch und später auch durch Sprengstoff (Ab dem Jahr 1627 mit Schwarzpulver) als Hilfsmittel. Seit der Verfügbarkeit von Maschinen werden hauptsächlich Bagger, Teilschnittmaschinen (Fräse), Drucklufthammer und moderne Sprengtechniken eingesetzt. Die Wahl der Hilfsmittel ist unter anderem vom Untergrund und der Umgebung (Erschütterungsempfindlichkeit) abhängig. Auch werden verschiedene Techniken häufig kombiniert.

Das gelöste Gestein wird anschließend mit Lademaschinen auf Fördermittel geladen und abtransportiert.

Vortrieb ist dabei die Bezeichnung für die Bauweise, aber auch die gewonnene Strecke, die in Meter pro Tag angegeben wird.

Bei der traditionellen Bauweise wird ein Richtstollen als First- oder Sohlstollen ins Gebirge vorgetrieben. Anschließend erfolgt der Gesteinsausbruch abschnittsweise bis zur Erstreckung des Gesamtquerschnitts. Danach schließen sich Sicherung gegen Nachbrechen und Vollausbau als weitere Arbeitsschritte an. Die traditionelle Bauweise erfordert zur Sicherung einen großen Aufwand Holz. Beim modernen Vollausbau werden freigelegte Flächen durch Spritzbeton, Felsanker, Stahlbögen und andere Bauelemente gesichert. Durch Einsatz von vollautomatischen Großmaschinen kann die Auszimmerung entfallen. Diese Methode nennt man auch Neue Österreichische Tunnelbaumethode. Die Vortriebsweise kann, in Abhängigkeit vom Untergrund, wie folgt gewählt werden. Die Auflistung erfolgt in absteigender Reihenfolge der Gebirgsqualität:

Vollausbruch – Öffnen der gesamten Ortsbrust in einem Abschlag. Teilausbruch – Aufteilen des Abschlages in einzelne Teilflächen, die nacheinander ausgebrochen und gesichert werden. Kalottenvortrieb – Vorauseilender Ausbruch der Kalotte, die Strosse wird in einem bestimmten Abstand „nachgezogen“. Ulmenstollen – Vertikale Teilung des Querschnittes in zwei oder drei Flächen. Bei der Teilung in 3 Flächen wird im linken und rechten Ulm jeweils ein kleinerer Stollen vorgetrieben. In der Mitte verbleibt ein Kern, der erst später ausgebrochen wird. Die innenliegende Tunnelschale der Ulmenstollen (Der „Ulmenstiel“) muss dabei wieder abgebrochen werden. Der Vortrieb kann auch mit nur einem Ulmenstollen erfolgen. Pilotstollen – Herstellung eines kleinen, kreisrunden, Stollens und anschließender Aufweitung auf den gewünschten Querschnitt. Dabei wird der Pilotstollen vollständig abgebrochen.

Diese Varianten stellen die üblichen Methoden dar. Es gibt jedoch auch Mischformen und andere Methoden. Es gilt meist: je geringer die Stabilität des Untergrundes, um so mehr wird der Vortrieb in kleinere Einzelschritte aufgeteilt.

Im Folgenden werden einige Tunnelbaumethoden kurz beschrieben. Dabei kommen auch Mischformen und Techniken in der Praxis vor, die sich nicht eindeutig zuordnen lassen. Einige davon werden heutzutage nicht mehr angewendet und auch der Ausbau mit Stein- oder Ziegelmauerwerk ist nicht mehr üblich.

Neue Österreichische Tunnelbaumethode Mitte des 20. Jahrhunderts wurde in Österreich der NÖT-Vortrieb (Englisch NATM) entwickelt. Dieser Vortrieb unterscheidet sich wesentlich zu den bisher eingesetzten Bauweisen, bei welchen der Ausbau des Tunnels durch einen massiven Verbau sehr steif erfolgte. Es wurde bei den alten Bauweisen viel Wert darauf gelegt, dass möglichst keine Setzungen entstehen und ein Großteil der Gebirgslast vom Ausbau übernommen wird. Aus diesem Grund erfolgte der Einbau massiver Stützmittel möglichst sofort nach dem Ausbau.