I.
Bahnprojekt Stuttgart–Ulm, Tunnel Albabstieg im Karstgebirge: Vortriebsbegleitende Karsterkundung, Schlussfolgerungen für Bau und Bemessung, Brandbemessung

Frank Könemann, Stefan Kielbassa, Klaus-Dieter Höwing, Matthias Abele

Die Vortriebe des im Planfeststellungsabschnitt (PFA) 2.4 der Neubaustrecke (NBS) Wendlingen–Ulm liegenden rd. 5,9 km langen Tunnels Albabstieg erfolgten zum Großteil in heterogen verkarstetem Weißjuragebirge und untergeordnet in tertiären Ablagerungen der Unteren Süßwassermolasse. Es werden die geologischen und hydrogeologischen Gegebenheiten beschrieben und aufgezeigt, wie in dem anstehenden Karstgebirge die Tunnelröhren mit der ausgeschriebenen vortriebsbegleitenden Karsterkundung erfolgreich aufgefahren wurden. Zudem wird dargestellt, wie angetroffene bauwerksrelevante Karststrukturen im Hinblick auf den Endausbau saniert wurden und welche Auswirkungen dies auf die Innenschalenbemessung hatte. Abschließend werden Hinweise für die Brandbemessung gegeben und Empfehlungen abgeleitet.

Major Project Stuttgart–Ulm, Albabstieg Tunnel in Karst Rock Mass: Karst Investigation during Tunnelling, Conclusions for Design and Construction, Fire Design

The tunnelling works for the approx. 5.9 km long Albabstieg Tunnel in planning section (PFA) 2.4 on the new line from (NBS) Wendlingen to Ulm were mostly carried out in heterogeneous karstified White Jurassic with some Tertiary deposits of the lower freshwater Molasse. Described are the geological and hydrogeological conditions as well as the successful driving of the tunnels through the prevailing karst rock mass with the specified karst exploration during tunnelling. The paper also describes the improvement of karst structures that were significant for construction with regard to the final lining and their effects on the structural design of the inner lining. The paper finishes with remarks about fire protection design and with derived recommendations.

1 Einleitung

Im Rahmen der Ausbau- und Neubaustrecke (NBS) Stuttgart–Augsburg entsteht im Bereich Wendlingen–Ulm innerhalb des Planfeststellungsabschnitts (PFA) 2.4 das Tunnelbauwerk Albabstieg mit einer Länge von ca. 5,9 km. Das Bauwerk besteht aus zwei eingleisigen Tunnelröhren, beginnend auf der Albhochfläche am Nordportal in Dornstadt und endend in der Donauniederung am Südportal des Hauptbahnhofs (Hbf) Ulm. In Abständen von jeweils 500 m sind zwischen beiden Tunnelröhren elf Verbindungsbauwerke angeordnet (Bild 1 und 2).

Die eng begrenzten Platzverhältnisse am tiefliegenden Südportal erlaubten es nicht, die beiden Tunnelröhren von hier aus steigend aufzufahren. Die Vortriebe mussten vielmehr fallend vom Nordportal aus erfolgen (zwei Vortriebe), unterstützt durch einen ca. 400 m langen Zwischenangriff (zwei steigende Vortriebe in Richtung Dornstadt und zwei fallende Vortriebe in Richtung Ulm), um bei der Länge des Tunnels zusätzliche Angriffsmöglichkeiten zu schaffen und die Aufwendungen für die Ver- und Entsorgung der Vortriebsorte zu minimieren, sodass insgesamt sechs Vortriebe gleichzeitig durchgeführt wurden.

Bild 1. Lage des Tunnels Albabstieg

Bild 2. Querschnitt Hauptröhren und Verbindungsbauwerke

Die Vortriebe wurden überwiegend in heterogen, verkarstetem Weißjuragebirge und untergeordnet in tertiären Ablagerungen der Unteren Süßwassermolasse durchgeführt. Die Überlagerungshöhen der Tunnelröhren reichen von 6 bis 85 m. Weiterhin werden mächtige Auffüllungen im Bereich einer Erdstoffdeponie unterfahren.

Unabhängig von den wechselnden Gebirgsverhältnissen, der Verkarstung und den hydrogeologischen Verhältnissen sowie den unterschiedlichen Überdeckungshöhen waren beim Vortrieb und Ausbau Problemzonen zu beherrschen, die einer besonderen Betrachtung und Lösung bedurften.

Hierzu zählen im Wesentlichen

• – die Unterfahrung der Erd- und Baustoffdeponie Rappenbad mit mächtigen Auffüllungen,
• – die Unterfahrung des Lehrer Tals mit z. T. sehr geringen Überdeckungshöhen von nur 6 m und zeitweiser Wasserführung,
• – die Unterfahrung der Bundesstraße B 10,
• – die Unterfahrung von Bauwerken im Stadtbereich Ulm mit den alten Kelleranlagen Michelsberg und
• – der enge Achsabstand der Tunnelröhren am Südportal.

Unter Abwägung aller maßgebenden Faktoren, insbesondere der erforderlichen Flexibilität beim Ausbruch und Sichern der herzustellenden Tunnelquerschnitte sowie der Erkundung und Behandlung der Karstproblematik wurde der Ausbruch der zwei eingleisigen Tunnelröhren sowie der elf Verbindungsbauwerke als Universeller Vortrieb (Spritzbetonbauweise) im Bagger-/Sprengvortrieb ausgeführt, um das Ausführungsrisiko im Hinblick auf die Karstproblematik zu minimieren.

Im vorliegenden Beitrag werden die geologischen und hydrogeologischen Gegebenheiten im Projektgebiet beschrieben, die Gesteinsund Gebirgsverhältnisse bewertet und Wege aufgezeigt, wie in dem anstehenden Karstgebirge die geplanten Tunnelröhren, die Verbindungsbauwerke und der Zwischenangriffsstollen erfolgreich aufgefahren und ausgebaut worden sind.

Es werden insbesondere die ausgeführten Verfahren zur umfangreichen, vortriebsbegleitenden Karsterkundung, die Auswertung der Karsterkundung und die Behandlung von angetroffenen Karsterscheinungen wie gefüllte Karststrukturen und größere Hohlräume sowohl baupraktisch als auch bemessungstechnisch aufgezeigt und beschrieben.

Weiterhin wird erläutert, wie die Karsterscheinungen bei der Berechnung der Innenschale berücksichtigt werden. Hierzu zählt die Interpretation der Ergebnisse der Karsterkundungsbohrungen als Interaktion zwischen Geologie, Bohrprotokollen und MWD-Daten (MWD = Measurement While Drilling).

Für die endgültige Bemessung der Innenschale wurde aus den während der Vortriebsarbeiten angetroffenen Gebirgsverhältnissen sowie den gemessenen Gebirgsverformungen der maßgebende Gebirgsdruck abgeleitet und mit den Prognosewerten aus der Planung gemäß Lastenheft verglichen.

Abschließend werden Hinweise für die Bemessung im Lastfall Brand gegeben.

2 Baugrund und Grundwasser

Die Gebirgsverhältnisse im Bereich des Tunnels Albabstieg sind durch einen Gebirgsaufbau, bestehend aus Schichtabfolgen des Weißjuras, im Liegenden und überlagernden tertiären Schichtabfolgen der Unteren Süßwassermolasse gekennzeichnet. Die Gesteine der Unteren Süßwassermolasse überlagern dabei fast durchgängig die engen bis weiten, im Streckenbereich bis zu 50 m tiefen, Taleinschnitte des Weißjuragebirges. Da der Tunnel Albabstieg im Niveau der alten Weißjuralandoberfläche liegt, durchfährt er sowohl Schichtabfolgen des Weißjuras als auch in Taleintiefungen die Weißjuraoberfläche und Schichtabfolgen der Unteren Süßwassermolasse (Bild 3).

Bei den auf etwa ein Viertel der Tunnelstrecke durchfahrenen Schichtabfolgen der Unteren Süßwassermolasse handelt es sich um unregelmäßige Wechselfolgen von heterogen verwitterten Mergel- und Kalksteinen. Verkarstung in Form von Kluftkarst ist in diesen Schichtabfolgen nur schwach ausgebildet und beschränkt sich auf Kalksteinlagen.

In der übrigen Tunnelstrecke liegt der Tunnel im Weißjuragebirge, wobei etwa zur Hälfte Gesteine der Oberen Massenkalke und der Zementmergel/Zwischenkalke durchfahren wurden. Bei den Gesteinen der Oberen Massenkalke handelt es sich vorwiegend um bankige bis massige Kalksteine. Diese Kalksteine sind stark verkarstungsanfällig und wurden im Gebirge unverkarstet bis stark verkarstet angetroffen. Die Verkarstung trat dabei überwiegend in Form von plombiertem Kluftkarst mit Öffnungsweiten im Zentimeter- bis Dezimeterbereich sowie im Nahbereich zur alten Weißjuralandoberfläche auch in Form von bis zu 30 m breiten gefüllten Karstrinnen auf. Im Bereich der Karstrinnen besteht die Möglichkeit, dass, lokal begrenzt, ein Viertel, die Hälfte oder drei Viertel des Ausbruchsquerschnitts in den Gesteinen des Weißjuras liegen, während der übrige Teil des Tunnels in den Karststrukturen aufzufahren und auszubauen ist. Diese Rinnen sind fast durchgängig mit Lockergesteinen aufgefüllt, im Wesentlichen sandig/kiesige Tone und Schluffe von fester, untergeordnet steifer bis halbfester Konsistenz mit wechselnden Anteilen an Kalksteinbruchstücken in Stein- bis Blockgröße (Bild 4).

Bild 3. Geologischer Längsschnitt

Bild 4. Lochkarst im Weißjura

Größere ungefüllte bzw. teilgefüllte Karsthöhlen mit Öffnungsweiten im Meterbereich wurden nur untergeordnet im Tunnelabschnitt von etwa km 81,3 bis 81,5 angetroffen. Dieser Abschnitt liegt ca. 200 bis 400 m vor dem Portal Ulm unterhalb von anstehender Bebauung.

Von den Gesteinen der Zementmergel/Zwischenkalke sind nur die aus bankigen Kalksteinen mit Mergelsteinzwischenlagen aufgebauten Zwischenkalke von Verkarstung betroffen, wobei Verkarstung hier überwiegend in Form von plombiertem Kluftkarst mit Öffnungsweiten im Zentimeter- bis Dezimeterbereich auftritt. Die überwiegend aus mergeligen Gesteinen bestehenden Schichtabfolgen der Zementmergel sind nicht verkarstet.

Die Grundwasserverhältnisse in dem vom Tunnel Albabstieg durchfahrenen Gebirge sind dadurch geprägt, dass im direkten Tunnelumfeld nur schwebende Grundwasservorkommen auftreten und das Grundwasser des Hauptkarstaquifers bis zu Mittelwasserverhältnissen durchgängig unterhalb der Tunnelsohle liegt. Karstgrundwasserlagen bis ins Tunnelsohlniveau bzw. ab etwa km 81,5 auch bis...