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Die Primärspannungen werden im Tunnelbau in weiten Teilen durch die Gewölbewirkung der Tunnelschale abgebaut. In der Praxis wird angenommen, dass im Bauzustand aufgrund der Gewölbewirkung nur noch 50 Prozent der Primärspannung wirken. Im Endzustand wird diese Abminderung nicht mehr angesetzt, sondern es werden die vollen Primärspannungen auf die Innenschale angesetzt, sodass eine doppelte Sicherheit gegeben ist.

Im Tunnelbau geht man klassischerweise davon aus, dass die Sicherung durch die Spritzbetonschale temporärer Natur ist. Aus Effizienzgründen wird die Außenschale zunehmend in die permanente Schalung integriert, sodass ein einschaliger Tunnelausbau gegeben ist.

Die Neue Österreichische Tunnelbauweise NÖT (New Austrian Tunnelling Method) geht von einem konventionellen / zyklischen Tunnelbau aus. Dabei soll das Gebirge möglichst wenig zerrüttet werden. Stattdessen wird angestrebt, dass sich Deformationen einstellen und das Gebirge seine Festigkeit aktiviert. Dies gilt allerdings nur im Festgestein. Insgesamt macht die NÖT das umliegende Gebirge zu einem tragenden Bestandteil des fertigen Tunnelbauwerks. Dadurch entfallen dicke und steife Schalen.

Dem Tunnelbauwerk eine Verbundwirkung aus Gebirge und Tunnelschale unterstellen ist wesentlich für effiziente Bauweisen.

Einschalige Tunnelbausysteme bestehen aus Spritzbeton oder Tübbingen. Zweischalige Tunnelbausysteme bestehen hingegen außen aus Spritzbetonauskleidung oder Tübbingauskleidung und innen aus einer Ortbetonauskleidung.

Der konventionelle Vortrieb (zyklischer Vortrieb) wird hauptsächlich im Festgestein oder bei harten Gesteinsformationen angewendet, die nicht ohne weiteres maschinell abgebaut werden können. Gegenüber dem kontinuierlichen Vortrieb mit Tunnelbohrmaschinen ist der zyklische Vortrieb, der vor allem durch Sprengen erfolgt, flexibler. Eingeschränkt ist der Sprengvortrieb aufgrund der Erschütterungen im urbanen Gebiet.

Der zyklische Tunnelbau in mehreren Arbeitsschritten:

• Bohrung und Sprengung: Zunächst werden Sprenglöcher gebohrt, in die Sprengstoff eingebracht wird. Nach der gezielten Zündung wird das Gestein gesprengt und in kleinere Stücke zerlegt.
• Materialabtrag: Das gelockerte Material wird anschließend mit speziellen Maschinen, wie Baggern oder Förderbändern, abtransportiert.
• Sicherung und Ausbau: Da der Sprengvortrieb das umliegende Gestein destabilisieren kann, sind umfangreiche Sicherungsmaßnahmen notwendig. Dies geschieht durch das Einbringen von Ankern, Netzen, und das Verspannen des Felsens. Zusätzlich werden Beton oder Spritzbeton eingesetzt, um den Hohlraum zu stabilisieren.

In sehr standfestem Gebirge können Tunnel ohne Auskleidung gebaut werden.

Ist das Gebirge standfest, ist der Einbau eines Gewölbes ausreichend.

Ist die Gebirgsfestigkeit geringer, sind zusätzliche Widerlager einzubauen, die dem Gebirgsdruck standhalten.

Die Außenschale wird als vorübergehende Sicherung eingesetzt. Sicherungen können theoretisch mehr oder weniger biegesteif oder beiegweich ausgeführt werden. In der Regel werden biegeweiche Sicherungen angestrebt, sodass sich durch die Verformbarkeit eine Spanungsumlagerung einstellt.

Der primäre Spannungszustand beschreibt das ungestörte Gebirge. Sobald das Gleichgewicht aufgehoben wird, indem beispielsweise ein Hohlraum entsteht, lagern sich die Spannungen gezwungenermaßen um und es entsteht der sekundäre Spannungszustand im Gebirge. In diesem Spannungszustand können Quell- und Schwelldrücke auftreten. Ist schließlich die Sicherung eingebaut, ist von einem tertiären Spannungszustand die Rede.

Durch den Einbau beiegeweicher Sicherungen, die keine Biegemomente, sondern nur Druckkräfte aufnehmen können, wird die Eigentragfähigkeit des Gebirges aktiviert. Man könnte von einer Randverstärkung des Gebirges sprechen. Verwendet wird schwach bewehrter Spritzbeton, unbewehrter Spritzbeton oder Stahlfaserspritzbeton.

Die Verwendung von Spritzbeton erweist sich als ideal, weil sich ein Verbund Sicherung-Gebirge einstellt, sodass die Sicherung auch Tangentialkräfte, die also tangential zur Tunnelaußenkante verlaufen, aufnehmen kann. Der Spritzbeton bildet dabei einen hohlraumlosen Verbund. Grundsätzlich gilt, dass der rasche Einbau der Sicherung das Gebirgsverhalten günstig beeinflusst.

Wird die innere Tunnelschale aus Spritzbeton ausgeführt, werden Stahlträger oder Gitterträger eingebaut, die für den Spritzbeton als Ringbewehrung wirken und das Tunnelprofil vorgeben. Wird die Innenschale hingegen aus Ortbeton hergestellt, wird moderne Schalungstechnik verwendet.

Anker erhöhen die Verbundwirkung zwischen Tunnel und Gebirge, indem diese Inhomogenitäten reduzieren und Auflockerungen entgegen wirken. Infolgedessen wirkt das Gebirge als homogene Einheit und trägt zur Lastableitung bei, sodass Spannungsspitzen abgebaut werden.

Die endgültige Sicherung ist auf die gesamte Nutzungsdauer ausgelegt und garantiert Standsicherheit, Dauerhaftigkeit und Gebrauchstauglichkeit. Als konventionelle Konstruktionsart gilt die zweischalige Bauweise. Die einschalige Bauweise stellt eine Effizienzsteigerung dar, bei welcher die Außenschale die Standsicherheit und die Dauerhaftigkeit garantiert. Hinzu kommt eine zweite Lage, die keine Schale darstellt, aber die Außenschale ergänzt und Gebrauchstauglichkeit garantiert.

Wesentlich sind die Definitionen von Gebirgsdruck, die Stini und Rabcewicz geprägt haben:

1. Überlagerungsdruck: Der Überlagerungsdruck setzt sich aus dem Gewicht des den Tunnel überlagernden Gebirges zusammen.
2. Tektonischer Druck: Der tektonische Druck resultiert aus den Bewegungen der Erdkruste.
3. Umlagerungsdruck: Der Umlagerungsdruck entsteht durch Spannungs- und Massenumlagerungen aus der Störung des Gleichgewichts durch einen technischen Eingriff, durch Volumenvergroößerung der Gesteinsmasse als Quell- oder Schwelldruck.
4. Auflockerungsdruck: Der Auflockerungsdruck entsteht durch die aus der Entspannung bzw. Verformung und/oder Sprengeinwirkung des Gebirges resultierenden Auflockerungen des Gebirges.

Bevor es zu konkreten tunnelbautechnischen Planungen kommt, ist eine weitreichende Analyse des Gebirges notwendig. Dazu wird das Gebirge in der Regel klassifiziert, indem Bohrungen und Sondierungen ausgewertet werden. Klassifizierungen ordnen das Gebirge nach felsmechanischen sowie bautechnischen Parametern ein.

Verfügbar sind zahlreiche unterschiedliche Klassifizierungssytseme [3], etwa:

• Karl von Terzaghi: 11 Gebirgsklassen (1 bis 11) von „gesunder Fels“ bis „locker gelagerter Sand“
• Joseph Stini: 5 Gebirgsklassen (1 bis 5) von „Fels mehr oderweniger gebrach“ bis „Gebirge mild, sehr druckhaft“
• Franz Pacher und Ladislaus von Rabcewicz: 6 (5) Gebirgsklassen (I bis Vb) von „standfest“ bis „rollig“.

Demgegenüber finden zunehmend quantitative statt qualitative Parameter Berücksichtigung in der Gebirgsklassifizierung (durch Wickham, Barton, Bieniawski, John und Baudendistel).

Die Vielzahl an Klassifizierungssystemen resultiert aus dem Umstand, dass von dem Versuch, allgemeine Systeme zu erarbeiten abgegangen wurde und die Gebirgsklassifizierung zunehmend projektbezogen erfolgt.

Klassifizierungssysteme dienen einerseits der Planung in Vortriebsklassen, aber auch der Kalkulation der Baupreise. Mit der Klassifikation hängen nämlich Vortriebsart, Vortriebsgeschwindigkeit oder die notwendigen Sicherheitsmaßnahmen ab.

Literatur:

[1] Leopold Müller: „Der Felsbau – Band 3 Tunnelbau“, Springer Verlag, Heidelberg 1978

[2] F. Heimbecher, Bernhard Maidl, Leonhard R. Schmid, Hans G. Jodl, Peter Petri: „Tunnelbau im Sprengvortrieb“, Springer Verlag, Wiesbaden 2013

[3] Bernhard Maidl, Martin Herrenknecht, Ulrich Maidl, Gerhard Wehrmeyer: „Maschineller Tunnelbau im Schildvortrieb“, Ernst & Sohn Verlag, Hoboken 2013

[4] Helmut Prinz und Roland Strauß: „Ingenieurgeologie“, Springer Spektrum, Berlin 2017