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Untertagbau in quellfähigem Fels

Abstract:

Die ersten Berichte über das Auftreten von Sohlhebung und Druck auf das Sohlgewölbe in Tunneln in ton- und anhydritführendem Fels stammen aus den 50er Jahren des 19. Jahrhunderts. Dieses Phänomen hat man bereits damals richtig beschrieben und seine tiefsten Ursachen in den Grundzügen zutreffend gedeutet. Es ist dies die Fähigkeit dieser Gesteinsarten durch Aufnahme von Wasser ihr Volumen zu vergrössern, bzw. bei Behinderung der Volumenvermehrung einen Druck zu entwickeln, den Quelldruck. Dass es neben den petrographischen Voraussetzungen und dem Zutritt von Wasser ein dritter Faktor im Spiel ist - die Änderung des Spannungszustandes im Gestein bzw. Gebirge - wurde erst später erkannt. In der Schweiz erhielt die Problematik des Tunnelbaus im quellfähigen Gebirge in den 60er Jahren des vergangenen Jahrhunderts eine besondere Aktualität. Zum einen wurde es damals notwendig, in einer Reihe von älteren Eisenbahntunneln grössere Sanierungsarbeiten infolge quellbedingter Schäden durchzuführen. Zum andern traten zu dieser Zeit beim Bau eines der ersten bedeutenden Tunnels der Nationalstrasse - im Belchentunnel der N2 - noch während der Bauausführung auf längeren Strecken Schäden auf, die eine Rekonstruktion des Sohlgewölbes erforderten. In Deutschland waren es die Erfahrungen mit dem Bau des Wagenburgtunnels (in der Nähe von Stuttgart), die die Aufmerksamkeit der Fachwelt auf die Quellproblematik lenkte. Nach diesen Ereignissen setzte sich angesichts der damals bevorstehenden Realisierung weiterer bedeutender Projekte im Verkehrstunnelbau eine breitangelegte Tätigkeit in der Forschung über die Quellproblematik ein. Sie wurde von mehreren Seiten ins Visier genommen. Man führte Versuche und systematische Messungen im Feld durch. Im Labor ging man mit naturwissenschaftlichen Methoden den mineralogischen Grundlagen nach und schliesslich haben computergestützte numerische Methoden das Kräftespiel im Tragwerk zu klären versucht. Die Projektierung und Ausführung einer grossen Zahl von Tunnelbauwerken, insbesondere in Deutschland und in der Schweiz, konnten sich mittlerweile auf ausgewertete Erfahrungen aus früheren Zeiten und auf ein solideres Grundwissen über die Rolle der Einzelfaktoren und ihr Zusammenwirken beim Quellvorgang abstützen. Jedes dieser Projekte lieferte seinerseits neues Material zur Weiterentwicklung des Kenntnisstandes bzw. zur Erhärtung der bis anhin erworbenen Erkenntnissen. Die Entwicklung des Wissens über das Quellen im Tunnelbau und seine praktische Umsetzung bei der Planung und Ausführung von Untertagbauprojekten hat bis zum heutigen Tage einen hohen Stand erreicht. Dieses Wissen und die Schilderungen wertvoller Erfahrungen liegen allerdings breit zerstreut in der Fachliteratur vor. Das Ziel dieses Buches ist es, eine kohärente Darstellung des Wissensstandes auf diesem Spezialgebiet des Tunnelbaus zu versuchen. Bei ihrer Arbeit haben die Autoren stets die Fragestellungen, die sich in der Praxis stellen, sowohl in der Phase der Projektierung als auch während der Bauausführung vor Augen gehabt. Sie haben allerdings diese Fragestellungen in der Regel grundlegender gefasst, als dies die Probleme des Alltags erfordern würden. Damit wollten sie einem wissenschaftlichen Anspruch genügen, der weiteren Entwicklungen den Weg ebnet. Das Buch gliedert sich in die zwei Hauptteile: Grundlagen und Ingenieuraufgaben der Praxis. Zu den Grundlagen zählen wir einen kurzen geschichtlichen Rückblick über Beobachtungen und Hypothesen über die man bis etwa in die 20er Jahre des letzten Jahrhunderts berichtet hat. Dann folgt ein kurzer Überblick über spezifische geologische Aspekte, die bei den weiteren Erörterungen immer wieder in Erscheinung treten. Das Kernstück des Abschnittes 'Grundlagen' - ein solcher Titel tritt im Inhaltsverzeichnis nicht explizit zum Ausdruck - umfasst gesonderte Abhandlungen über den Quellvorgang in ton- und anhydrithaltigem Fels sowie die Rolle des Wassers. Der Massstab der Betrachtungen wechselt von den Verhältnissen im Labor zum Feld. Der zweite Teil der Arbeit ist den Besonderheiten der Projektierung und der Bauausführung in quellfähigem Fels gewidmet. Dem Leser wird namentlich in diesen Abschnitten klar, wie viele Lücken heute noch in unserem Wissensstand vorhanden sind, welche den statischen Berechnungen eine zwingende Gültigkeit absprechen. Er wird aber merken, dass den Wissenslücken in den geotechnischen Grundlagen und den Unzulänglichkeiten der Bemessung durch ein geeignetes Entwurfskonzept Rechnung getragen werden kann. Während der Bauausführung bietet sich oft die Möglichkeit, den Entwurf auf seine Richtigkeit zu überprüfen, bzw. zu überarbeiten. Dazu muss allerdings die Ausschreibung bzw. der Werkvertrag, den angemessenen Spielraum gewähren. Neben der beschreibenden Darstellung der oft komplexen Zusammenhänge wurden wo möglich auch quantitative Angaben gemacht. Es betrifft dies die Wiedergabe von Ergebnissen von Laborversuchen, Feldmessungen und Diagrammen zur Verdeutlichung des Kräftespiels zwischen Ausbau und Gebirge. Das Buch ist versehen mit einem einschlägigen Glossar und einem umfangreichen Literaturverzeichnis. Die Autoren geben der Hoffnung Ausdruck, dass durch das Anheben des Wissensstandes Rückschläge im Tunnelbau in quellfähigem Fels künftig, wenn nicht eliminiert, doch wenigstens verringert werden können.

Authors:

Amstad, Christian and Kovári, Kalman

Index Terms:

rock; TunnelingGroup; squeezing rock; Clay; ClayGroup; Ton; anhydrite; Amstad, Christian; Kovari, Kalman

Further Information:

Date published: 2001