Felsmechanik und Untertagebau

• Lage, Topographie
   
• Geologie, Hydrologie
   
• Benachbarte Bauwerke
   
• Bauzeit, Budget
   
• Vorschriften, Normen

• Grundwasser:
  • evtl. Anschneiden eines Grundwasserleiters
  • Einleiten von Abwässern
• Bauphase:
  • Lärm- und Staubbelastung
  • ggf. Sprengemissionen und Erschütterungen
  • Setzungen
  • transportintensive Baustellen
  • Deponierung
• Betriebsphase:
  • Lärmemissionen
  • evtl. erhöhte lokale Luftbelastung
  • Erschütterungen

Betrieb:

• Überwachungs- und Leiteinrichtungen
• Fahrleitungen
• Beleuchtung
• Lüftung
• Verkehrssignalisation, Markierungen
• Gebäudeinstallationen in Zentralen (Klima, Heizung, Lüftung)

Sicherheit:

• Erfassung und Kommunikation (Funk, Notruf)
• Energieversorgung, Bahnstrom
• Löscheinrichtungen, Löschwasserversorgung
• Nischen
• Austellbuchten
• Fluchtwege
  • Verbindungen ins Freie
  • Querverbindungen in die Nachbarröhre
  • Werkleitungskanal

Betrieb: Nur die dreiröhrige Variante III führt während Unterhaltsarbeiten zu keiner Kapazitätsabnahme

Sicherheit: Gegenverkehr < richtungsgetrennte Röhren

Umwelt: Raumbedarf an Deponien bei I grösser als bei II

Bautechnik: Kleinere Risiken bei kleineren Durchmessern

Bauzeit: ein grosser Tunneldurchmesser dauert länger als zweier kleinerer Tunnels (Parallelvortrieb)

Baukosten: Variante I verursacht geringere Baukosten als 3 einzeln erstellte Röhren. Kostenrisiko ist aber aufgrund von unvorhergesehenen Ereignissen bei 3 Einzelspuren niedriger.

Systeme:

• Natürliche Längslüftung (mit/ohne Absaugung im Ereignisfall)
• Künstliche Längslüftung (mit/ohne Absaugung im Ereignisfall)
• Halbquer-, Querlüftung oder Mischsystem

Strassentunnel --> grosse Bedeutung

Bahntunnel --> wenn lang/tiefliegend (Wärme)

Für lange Strassentunnel werden üblicherweise Fensterstollen oder Lüftunsschächte gebaut, um den Tunnel in Lüftungsabschnitte zu unterteilen. Somit bleiben die Dimensionen der Ventilatoren und Luftkanäle wirtschaftlich.

Abdichtungskonzepte:

• Verdrängungskonzept (Vollabdichtung)
• Ableitkonzept (Regenschirmabdichtung)

Entwässerungskonzepte:

• Trennsystem
• Mischsystem

Vergleich Verdrängung und Ableitung:

• Wasserentnahme beim Ableitkonzept kann die Umwelt negativ beeinflussen, indem sie das Grundwasserregime ändert und/oder zu Setzungen führt (Konsolidation)
• Bei der Erstellung is das Ableitsystem kostengünstiger
• Im Betrieb ist der Wartungsaufwand beim Ableitsystem deutlich höher
• Beim Abdichtungskonzept muss die Schale auf den vollen Wasserdruck dimensioniert werden
• Im durchlässigem Gebirge kann das Ableitkonzept an seine Kapazitätsgrenzen
  (Wassermengen zu hoch --> drucklose Ableitung nicht mehr möglich)
   

Dauerhaftigkeit:

• Über gesamte Nutzungsdauer (i.d.R. 100 Jahre) sicherzustellen
• Beachten, dass das Sohlgewölbe ohne grösseren Betreibsunterbruch nicht zugänglich und daher erhöhten Dauerhaftigkeitsanforderungen genügen soll

Tragsicherheit:

• Gebirgs- und/oder Wasserdruck
• Brandbeständigkeit (vor allem im Lockergestein unter Wasserdruck und im überbauten Gebieten)
• Erdbeben (Portalbereiche, Störzonen, stark erdbebengefährdete Gebiete)

Gebrauchstauglichkeit:

• Formerhaltung
• Dichtigkeitsanforderung
• Frostbeständigkeit in den portalnahen Bereichen
• Glattheit

Hufeisenprofil

Maulprofil

Kreisprofil

mit/ohne Sohlgewölbe

• Gebirgsdruck
  • Fels
  • Lockergestein
• Wasserdruck
• Quelldruck

Typ:

• Einschalig
  • Spritzbeton
  • Tübbinge
• Zweischalig
  • Spritzbeton + Ortbeton
  • Tübbinge + Ortbeton
  • Spritzbeton + Spritzbeton
• Mischsystem

Planungsstudie --> Nachweis der Machbarkeit

Vorprojekt (Nationalstrassen: generelles Projekt) --> Optimale bauliche Lösung

Auflageprojekt (Nationalstrassen: Ausführungsprojekt) --> Bewilligtes Projekt

Genehmigungsverfahren (Umwelt, Eigentum) --> Projektbewilligung

Bauprojekt (Nationalstrassen: Detailprojekt) --> Baureifes Projekt

Vorbereitung der Ausschreibungsunterlagen

Ausschreibung

Vergabe

Detailpläne erstellen

Bauarbeiten ausführen

Ausrüstungen installieren

ggf. Probefahrten durchführen (Bahn)

1. Steinfall
2. Niederbruch und/oder Instabilität der Ortsbrust
3. Tagbruch
4. unzulässige Querschnittsverengungen und Oberflächensetzungen

Bei fehlender oder ungenügender Stützung der Firste beobachtet man häufig die Bildung von Bruchkörpern.

• Im Festgestein --> aufgrund vorhandene Fehlstellen (Klüftung, Schichtfugen und Schieferungsflächen)
• Im Lockergestein --> aufgrund Entstehung von Trenn- und Gleitflächen

Die Bruchkörper können durch ihr Eigengewicht auch das eingebrachte Gewölbe belasten--> Auflockerungsdruck

Man spricht von druckhaftem Gebirge, wenn es nach dem Ausbruch die Tendenz zeight, den Hohlraum wieder zu schliessen.

Beim echten Gebirgsdruck handelt es sich um einen Entlastungsvorgang im Gebirge. Bei diesem Entlastungsvorgang werden die durch die geschaffenen Hohlräume entstandenen Spannungsspitzen im Gebirge ausgeglichen. Bei diesem Vorgang wird der Hohlraum "zusammengedrückt" (Konvergenz). Da der Einbau gegen die zunehmende Konvergenz Widerstand leistet, entsteht als Reaktion der sogenannte echter Gebirgsdruck.

Tritt in Gesteinsarten geringer Festigkeit und hoher Verformbarkeit auf:
Phyillite, Schiefer, Serpentinit, Tonsteine, Tuff, gewisse Flyscharten, zersetzte ton- und glimmerhaltige Tiefengesteine

Gebirgswasser bzw. hoher Porenwasserdruck --> begünstigt Gebirgsdruck und Gebirgsverformungen

Ton und anhydrithaltige Gestene haben die Eigenschaft, ihr Volumen durch Aufnahme von Wasser zu vergrössern
--> Quellen dieser Gesteine

Beim Tunnelbau macht sich das Quellen durch Sohlhebungen, bei deren Behinderung durch den Sohldruck auf das Sohgewölbe bemerkbar.

Geometrische Massnahmen

• Linienführung
• Systemwahl
• Profilgeometrie
• Querschnittsunterteilung (Bauweise)
• Vorgehen längs Tunnel (Betriebsweise)
• Ortsbrustgeometrie
• Ausbruchradius (Verformungsreserve)

Stützende Massnahmen

• Zur Sicherung des Profils:
  • Stahleinbau (Profilstahl, Gitterträger)
  • Verzug (Verzugsbleche, Betonelemente, Holzbretter)
  • Pfändung ("Marciavanti")
  • Spiesse
  • Rohrschirme
  • Mikropfähle
  • Ortbeton
  • Fertigteile
  • Nachgiebige Bauteile
  • Vollschilde
  • Messerschilde
• Zur Sicherung der Ortsbrust:
  • Brustplatten
  • Bentonit (bei "geschlossenen Schilden")
  • Erdbrei (bei "geschlossenen Schilden")
• Beides:
  • Anker
  • Baustahlnetze
  • Spritzbeton (i.d.R. faser- oder netzbewehrt)
  • Jetting Pfähle
  • Druckluft

Baugrundverbessernde Massnahmen

• Drainage
• Injektionen
• Vereisung

Die Stützung des Gebirges erfolgt

• punktuell (z.B. Anker)
• linienhaft (z.B. Stahlbogen)
• flächig (z.B. Spritz- oder Ortsbeton, Verzug, Fertigelemente)

Die Stützmittel können

• von zeitweiligem Charakter (Ausbruchsicherung),
• Bestandteil der definitiven Sicherung (Verkleidung) oder auch
• identisch mit dem endgültigen Ausbau sein (z.B. einschaliger Tübbingausbau)

Kann der Hohraum auch über kleine Spannweite oder für die Dauer des Abschlags nicht stabil bleiben
--> vorauseilende Sicherungsmassnahmen (Spiesse, Rohrschirme oder Brustanker)

A - Lösen des Gebirges
B - Ausbruchsicherung
C - Nachziehen
D - Wasserhaltung
E - Abdichtung und Verkleidung
F - Ausrüstung

(a)  Überlagerung

(b)  Geländemorphologie

(c)  Faltung

(d)  Störung

8 Unbekannte:

• 2 Verschiebungen
• 3 Verzerrungen
• 3 Spannungen

8 Gleichungen:

• 3 kinematische Relationen (Verschiebung - Verzerrungen)
• 3 Stoffgesetz (Spannungen - Verzerrungen)
• 2 Gleichgewichtsbedingungen am infinitesimalen Element

Bedingungen:

• Kreisförmiger Tunnel mit gleichförmigem Ausbau über Tunnelumfang
• Homogenes und isotropes Gebirge
• Hydrostatische primärer Spannungszustand (K=1)
• Homogener primärer Spannungszustand (tiefliegender Tunnel)

Mathematisch eindimensional
--> alle Verschiebungen, Verzerrungen und Spannungen hängen ausschliesslich vom Radius r ab

nur noch 5 Unbekannte:

• radiale Verschiebung
• radiale und tangentiale Verzerrungen
• radiale und tangentiale Spannungen