Saturday LearnING an der TU Kaiserslautern, 14.11.2015 Prof. Dr.-Ing. Karsten Körkemeyer
Bauen unter der Erde – Hightech und Abenteuer
Prof. Dr.-Ing. Karsten Körkemeyer
Saturday LearnING
an der TU Kaiserslautern, 14.11.2015
Mit Unterstützung durch Herrn Dr.-Ing. Speier,
Lehrbeauftragter am Lehrstuhl Baubetrieb und Bauwirtschaft seit Sommersemester 2011
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Verkehrsknoten: Tokyo U-Bahn - Iidabashi Station
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Historische und neuzeitliche Tunnel
• Jerusalem, Wasserversorgung, 700 v. Chr., 540 m/20.000m³, händisch
• Eupalinos (Samos), Handel, 500 v. Chr., 1052 m/3.409 m³, händisch
• Mont-Cenis, Eisenbahn, 1857-1870, 12.200 m, 700.000 m³, Sprengvortrieb
• St. Gotthard, Eisenbahn, 1872-1878, 14.990 m/1.100.000 m³, händisch, Sprengvortrieb
• Kanaltunnel, Eisenbahn, 1986-1993, 50.450 m/10.029.000 m³, Schild
• 4.Röhre Elbtunnel, Straße (A7), 1997-2002, 2.561 m/400.000 m³, Schild
• Gotthard Basistunnel, Eisenbahn, 1999-2011, 57.000 m/ 13.300.00 m³, TBM
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A simple technology ...
Brunel's tunnelling shield under the Thames 1824-1842
Etching in magazine "Museum der Geschichte" from 1830
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from Maidl et al.: Mechanised Shield Tunnelling, 1996
... labor-intensive and sometimes risky ...
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4. Röhre Elbtunnel, Hydroschild OD = 14,20 m,
Lichter DI = 12,7 m, Tübbingdicke 0,70 m
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Belttunnel (Sicherung und Ausbau
mit Stahlbetontübbingen)
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Stollen
Stollen sind langgestreckte unterirdische Hohlräume mit
Ausbruchquerschnitten von etwa 20 m². Die Neigung der
Stollen beträgt max. ca. 12% (Befahrbarkeit).
– Hauptbauwerke: Freispiegel-, Druckwasserstollen,
Düker, Zugangsstollen (z.B. Bergbau,
Kavernenbau), Belüftungsstollen
– Hilfsbauwerke: Injektionsstollen, Sondierstollen,
Fensterstollen
Definitionen und Abgrenzungen
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Tunnel
Tunnel sind langgestreckte unterirdische Bauwerke mit
Ausbruchquerschnitten über 20 m². Sie werden seit
mehreren hundert Jahren zum Bau von Verkehrswegen,
insbesondere Eisenbahnverbindungen gebaut.
– Hauptbauwerk: Eisenbahntunnel
U-Bahntunnel
Straßentunnel
Definitionen und Abgrenzungen
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Schächte
Schächte (Vertikal- oder Schrägschächte) sind langgestreckte
lotrechte oder stark geneigte (d.h. nicht befahrbare)
unterirdische Hohlräume.
– Hauptbauwerke: Transportschächte (z.B. Trinkwasser,
Grundwasser), Transport von Menschen und Material
(z.B. Bergbau), Belüftung, Druckausgleich in
Verbindung mit Druckwasserstollen (Wasserschloß)
– Hilfsbauwerke: Schutterschacht,
Vermessungsschacht
Definitionen und Abgrenzungen
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Kavernen
Kavernen sind unterirdische Hohlräume mit i.d.R. sehr
großen Ausbruch-querschnitten, jedoch geringerer
Längsausdehnung. Sie dienen meist der Aufnahme
stationärere Einrichtungen.
Hauptbauwerk: Kraftwerkskaverne
Luftschutzkaverne
Aufnahme militärischer Einrichtungen
(End-)Lagerung von Gefahrstoffen
Lagerung von Rohstoffen (Gas, Erdöl)
Definitionen und Abgrenzungen
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Probleme und Heruasforderungen…
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– Einleitung
– Randbedingungen
– Bauverfahren
– Risiken
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Brauchen wir noch neue Tunnelbauwerke?
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Karlsruhe: Kombilösung für die Kaiserstraße
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Karlsruhe: Kombilösung für die Kaiserstraße
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Heidelberg Projekt: Stadt an den Fluss
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Heidelberg Projekt: Stadt an den Fluss
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Lebensqualität
Beeinträchtigung in Bauphase
Mobilität
Wirtschaftlichkeit
Bau
Betrieb und Unterhaltung
Sicherheit
Bau
Betrieb und Nutzung
Spannungsfeld bei der Entscheidung für
Tunnelbauprojekte
Interessensausgleich und Akzeptanz der Beteiligten
und Betroffenen
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– Einleitung
– Randbedingungen
– Bauverfahren
– Risiken
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• Kriterium 1: Planungssicherheit
• Kriterium 2: Ausführungssicherheit
• - finanzielle Risiken des Auftraggebers
• - finanzielle Risiken des Auftragnehmers
• - Risiken Dritter
• - Risiken für Leib und Leben Dritter
• - Konstruktionsrisiken
• Kriterium 3: Geologie und Baugrund
• Kriterium 4: Grundwasser
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• Kriterium 5: Auswirkungen auf benachbarte Gebäude, Verkehrsanlagen und Versorgungsleitungen
• Kriterium 6: Auswirkungen auf die Anwohner Auswirkungen auf die Verkehrsführung im Bauzustand
• Kriterium 7: Konflikte mit Denkmälern / Bodendenkmälern
• Kriterium 8: Andienung der Baumaßnahme
• Kriterium 9: Auswirkungen auf Trasse und Gradiente
• Kriterium 10: Wirtschaftlichkeit
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Versorgungsleitungen – Stadtwerke – Versorgungsträger (Telekom, ish,
Colt Telecom, global voice, Alcatel etc.)
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Betroffenheiten
Einschränkungen der
Wohn- und Lebensqualität
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Betroffenheiten
Zugängigkeiten während
der Bauzeit
Feuerwehrangriffs-
möglichkeiten
Rettungswege
Anlieferung
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– Einleitung
– Randbedingungen
– Bauverfahren
– Risiken
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• Charakteristische Bauverfahren: „Offene Bauweise“
• Beispiele: Wand-Sohle-Bauweise
• Baugrubenumschließungen: Bohrträgerverbau, Bohrpfahl-, Spund- oder Schlitzwände
• Baugrubenabdeckungen: Deckelbauweisen, Hilfsbrücken
• Sohlausbildungen: Unterwasserbeton- bzw. Injektionssohlen,
• im DS-Verfahren hergestellte Sohlen
• Tunnelbauwerk: i. d. R. ein- oder mehrzellige Stahlbetonbauwerke mit Rechteckprofil
Bauverfahren
- offene Bauweise -
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Bauverfahren
- offene Bauweise -
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Bauverfahren
- offene Bauweise -
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Charakteristische Bauverfahren: „Geschlossene Bauweise“
Bergmännische Vortriebe: Spritzbetonbauweisen im Bagger-, (Spreng-)
oder Druckluftvortrieb
Prinzip: temporäre Tragwirkung des umliegenden
Gebirges wird berücksichtigt
im Lockergestein i. d. R. vorlaufende
Sicherungen wie z. B. Spieße, Anker
Rohrschirme erforderlich
z. T. Baugrundstabilisierung (FEP, DS-Verfahren,
Vereisung)
Bauwerke: i. d. R. Tunnelbauwerke mit variablem
Querschnitt
Bauverfahren
- geschlossene Bauweise -
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2.500%
-0.650
-0.600
-1.300 2.5%
0.000-+
+4.500
Tunnela
chse
+6.850
-0.650
10
,25
12,16
9,5
1,25 3,5 3,5 1,251,00 3,75 3,75 1,00
Bauverfahren
- geschlossene Bauweise -
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Bochumer Stadtbahnnetz
Bauverfahren
- geschlossene Bauweise -
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Stadtbahn Bochum, Baulos D2, Bahnhof Rathaus-Nord (1978-1982)
Vortrieb der ersten
Bahnhofsröhre
Innenschale der ersten
Bahnhofsröhre
Bauverfahren
- geschlossene Bauweise -
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Stadtbahn Bochum, Baulos D2, Bahnhof Rathaus-Nord (1978-1982)
Vortrieb der zweiten
Bahnhofsröhre
Räumen der Sohle in der zweiten
Bahnhofsröhre
Bauverfahren
- geschlossene Bauweise -
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Charakteristische Bauverfahren: „Geschlossene Bauweise“
Maschinelle Vortriebe: - Schildvortriebsverfahren mit Tübbingausbau
- Rohrvortriebe
Bauwerke: i. d. R. Tunnelbauwerke mit Kreisprofil
Bauverfahren
- geschlossene Bauweise -
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Tübbingtunnel
Bauverfahren
- geschlossene Bauweise -
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Tunnelvortriebsmaschinen
aus: DAUB Empfehlung für die Auswahl von Tunnelvortriebsmaschinen
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Slurry-TBM (Herrenknecht) EPB-TBM (Lovat)
Tunnelvortriebsmaschinen
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Prinzip der Ortsbruststützung
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Rohrvortrieb
Bohrverfahren vergleichbar Tübbingtunnel jedoch werden ganze Rohre in den
Startschacht eingebracht und der gesamte Rohrstrang vorgepresst
Bauverfahren
- hydraulischer Rohrvortrieb -
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Bauverfahren
- hydraulischer Rohrvortrieb -
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Absenktunnel: mittels Eigengewicht werden die Tunnel abgesenkt
Boden unter dem Tunnel wird händisch oder mit
Wasserspülung entfernt
Bauverfahren
- Sonderbauweisen -
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Bauverfahren
- Sonderbauweisen -
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Bauverfahren
- Sonderbauweisen -
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Bauverfahren
- Sonderbauweisen -
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Absenktunnel/Senkkasten
Vorteile:
Geringer Platzbedarf
Kein zusätzlicher Verbau
Geringer Materialtransport – verdrängtes Material wird sofort wieder
eingebaut
Nachteile:
Gefahr bei Hindernissen im Boden
Gefahr des Verrutschens beim Absenken
Arbeiten unter Druckluft - z. T. geringe Arbeitszeiten
Bauverfahren
- Sonderbauweisen -
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Absenktunnel: mittels Eigengewicht werden die Tunnel abgesenkt Boden unter dem Tunnel wird händisch oder mit Wasserspülung entfernt
Eingeschobene Bauwerke: Unterquerung sensibler Bereiche z. B. Bahnanlagen, Hauptverkehrsstraßen
Bauverfahren
- Sonderbauweisen -
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Bauverfahren
- Sonderbauweisen -
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Bauverfahren
- Sonderbauweisen -
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Bauverfahren
- Sonderbauweisen -
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Absenktunnel: mittels Eigengewicht werden die Tunnel abgesenkt Boden unter dem Tunnel wird händisch oder mit Wasserspülung entfernt
Eingeschobene Bauwerke: Unterquerung sensibler Bereiche z. B. Bahnanlagen, Hauptverkehrsstraßen Druckluftvortriebe: vertikal zur Schachtherstellung horizontal bei ausreichendem Gegendruck
Bauverfahren
- Sonderbauweisen -
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aus: Brochier-Spezialtiefbau Projektinformationen
Druckluftverluste beim Druckluftvortrieb
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Material und Personen müssen durch eine Druckluftschleuse
Arbeitszeiten unter Druckluft eingeschränkt
Druckluftverluste beim Druckluftvortrieb
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Rheinufertunnel Düsseldorf
Druckluftvortrieb
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„Bauwerke müssen sicher sein“
ist die fundamentale Anforderung an den Planer!
Vorhandene Bauwerke und vorhandene Anlagen der Infrastruktur
sind im Regelfall nicht für Einwirkungen aus Tief- und
Tunnelbaumassnahmen ausgelegt, sollen aber auch bei diesen
unplanmäßigen Einwirkungen sicher sein.
Sicherung der Bebauung und Umgebung
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Abschätzung der maximal zu erwartenden Senkungseinwirkungen
auf das Bauwerk
Verträglichkeit des Gebäudes gegenüber den prognostizierten
Verformungseinflüssen (empirische und analytische Verfahren)
ggf.: Planung von zusätzlichenSicherungsmaßnahmen
Sicherung der Bebauung und Umgebung
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•
Vortriebsrichtung
Stützung der Ortsbrust durch Bentonit-Suspension und Druckluftpolster
Schneid
rad
Nachläufer
Tübbinge Ringspalt
Schildmantel
Tübbinge
Umlaufende Dichtung
Kontinuierliche Mörtelverpressung des entstandenen Ringspaltes
Vorhandene Bebauung
Schildmantel
Sicherung der Bebauung und Umgebung
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•
Entspannung der Ortsbrust und vorlaufende Verformungen
Sicherung der Bebauung und Umgebung
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•
Verformungen der Ausbruchslaibung
Sicherung der Bebauung und Umgebung
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•
Tiefenabhängige Ausbreitung der Senkungsmulden
Abschätzung der Verformungen: Analytische Verfahren
Sicherung der Bebauung und Umgebung
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•
Verformungseinwirkungen auf tangierte Bauwerke
Sicherung der Bebauung und Umgebung
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~12,0 mm
~9,5 mm
~12,3 mm
Abschätzung der Verformungen: Numerische Verfahren
Sicherung der Bebauung und Umgebung
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Empirische Bewertung der Setzungsverträglichkeit
der bestehenden Bausubstanz
Sicherung der Bebauung und Umgebung
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Baugrund
Sicherungsmaßnahmen
Sicherung der Bebauung und Umgebung
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Baugrundertüchtigung
Oberflächenmaßnahmen
Verdichtung
Bodenaustausch
Injektionsverfahren
Einpressverfahren
Düsenstrahlverfahren
Gefrierverfahren
Sicherungsmaßnahmen
Sicherung der Bebauung und Umgebung
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– Einleitung
– Randbedingungen
– Bauverfahren
– Risiken
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• Tunnel sollen aufgefahren werden ...
... oberflächennah in schwierigsten Baugrund- und Grundwasserverhältnissen
... unterhalb von bestehender setzungs-empfindlicher Bebauung, Verkehrsanlagen und Leitungen der Ver- und Entsorgung
... benutzerfreundlich, d.h. auch überschaubar und ohne den freien Blick verwehrende Einbauten wie Stützen und Zwischenwände
... ohne technische und finanzielle Risiken
... bei Erfüllung aller Bestimmungen zum Umweltschutz
... mit geringsten Herstellungs- und später zu erwartenden Unterhaltungskosten
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Neubau eines U-Bahntunnels in bergmännischer Bauweise
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Planung liefert:
prognostizierte Auswirkungen
Havarie- und Störfallkonzepte ( Was mache ich wann?)
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Risikomanagement - Wirtschaftlichkeit
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Tunnelbauwerke haben einen wesentlichen Anteil an der
Lebensqualität und Mobilität der Menschen in Ballungszentren
Es existieren Bauverfahren und Baumethoden um unter
Berücksichtigung der sensiblen Randbedingungen
Tunnelbauwerke in Ballungszentren zu errichten
Grundlage für eine sichere und Risiko minimierte Ausführung ist eine
systematische Planung von der ersten Idee bis zur Ausschreibung
Zwingend erforderlich ist die Anwendung des baubegleitenden
Abgleichs zwischen Soll und Ist und der Organsiation fachlich
kompetenter Eingreifgremien
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!