Bauverfahren

• Gesteinsart
• Überlagerung
• Geländetopographie
• Tiefenlage der Felsoberfläche
• Primärspannungen
• Orientierung der Trennflächen und Schichtgrenzen zur Tunnelachse

1. Vorerkundung
   • Karten
   • Oberflächenerkundung
   • Bohrungen
2. Beschreibung des Gebirges
   • qualitativ
   • quantitativ
3. Beurteilung des Gebirgsverhaltens
   • Gefährdungsbild
   • Risikoanalyse
4. Geotechnische Berechnung und Einteilung Vortriebs- / Ausbruchklassen
   • Sicherungstechnik

• Gebirgsfestigkeit
• Schichtung und Klüftung
• Wasser und Gas
• freie Stützweite im Quer- und Längsschnitt
• Grösse und Richtung des primären Gebirgsdrucks
• zeitliches Verhalten des Gebirges
• Form des Querschnitts
• Vortriebs- und Anisotropie-Richtung
• Überlangerungshöhe

• Ausbruchsicherung: sofortige Massnahme zur Wahrung der Arbeitssicherheit und der Standsicherheit sowie der Beschränkung der Verformungen des Gebirges im Bereich des ausgebrochenen Hohlraums in der Bauphase
  • Sicherungsklasse SK: Klassierung der Ausbruchsicherung nach Art, Menge und Einbauort der Massnahmen - 1: unbedeutende Behinderung - 5: sehr starke Behinderung, T: Ausbruchsicherung mit Tübbingen
  • Sicherungstyp ST: Vorbestimmte Massnahmen für die Ausbruchsicherung (Vorschlag für die Ausführung) für verschiedene Gebirgsverhältnisse und Bemessungssituationen
• Ausbaumassnahmen: sekundäre Massnahmen zur Wahrung der Standsicherheit und der Beschränkung der Verformungen des ausgebrochenen Hohlraums in der Bau- und Nutzungsphase - umfasst Ausbruchsicherung und Verkleidung

• Auflockerungsdruck: entwickelt sich sofort mit dem Ausbruch
  • Bildung von Gleitlinien im Lockergestein nach Ausbruch des Hohlraums
  • Ausbreitung von Bruchflächen im Fels durch Klüfte und Schichtfugen
  • Entstehung ganzer Bruchkörper
• echter Gebirgsdruck: entwickelt sich meist langsam bis Gleichgewicht Gebirgsdruck vs Verformung und Ausbauwiderstand erreicht ist
  • Entstehung bei grossem Überlagerungsdruck
  • massive Spannungsumlagerungen im umgebenden Gebirge nach dem Ausbruch des Hohlraumes
  • plastische Verformung des Gebirges
  • Verengung des ausgebrochenen Hohlraumes
• Quelldruck: ausgeprägte zeitliche Entwicklung über Wochen, Monate und Jahre
  • Entstehung durch Wasseraufnahme von tonhaltigem (physikalischer Vorgang) oder anhydrithaltigem (chemischer Vorgang, bautechnisch viel kritischer) Gestein
  • geht meist mit Sohlhebung einher

• Konventioneller Vortrieb
  • Sprengvortrieb im Fels - SPV
  • Maschinenunterstützter Vortrieb im Lockergestein - MUL - Bagger mit Löffel
  • Maschinenunterstützter Vortrieb im Fels - MUF - TSM, Bagger mit Reisszahn
• Maschineller Vortrieb
  • TBM im Fels
    • offen
    • im Schild
  • Schildmaschinen im Lockergestein
    • Vollschnitt
    • Teilschnitt

• Einsatzgebiet:
  • Lösung und Reissen des Lockergesteins sowie stark zerscherten und verwitterten Fels in der Ortsbrust
  • Putzen der Laibung, Ortsbrust und Paramente beim Kalotten- und Vollquerschnittsvortrieb
• Baggerlöffel um Längsachse hydraulisch drehbar, um profilgenau ausbrechen zu können
• Umrüstung auf Hydraulikhammer bzw. -meissel bei Findlingen oder lokalen harten Einlagen
• Umrüstung auf Schrämkopf bei verbackenen Lockergesteinseinlagerungen möglich
• Hydraulikbagger mit Felslöffel

• Einsatzbereich: enge Tunnelquerschnitte bei denen kaum Möglichkeiten für Wende- und Drehbewegungen von Ladegeräten bestehen
• Multifunktionsgerät: Abbau und Laden

• Abbau der Ortsbrust (Lösen des Materials) mittels Schrämkopf
• Aufnehmen des gelösten Materials mittels Ladeeinrichtung
• Fördern des aufgenommenen Materials mittels Stetigförderung zur direkten Beladung von Transportfahrzeugen oder sekundären Stetigförderanlagen

• mittlere Gesteinsfestigkeit 50 - 80 N/mm^2 (wirtschaftliche Grenze bei 120 N/mm^2)
• kurze bis mittellange Tunnel (ca. < 3 km) im "Weichgestein"
• Tunnel mit variablen Querschnitten
• Bearbeitung von Tunnelquerschnitten von 10 - 65 m^2 mit Breiten bis 10m und Höhen von 7.5m
• Projekte mit einem schnellen Starttermin wegen der relativ kurzen Mobilisationszeit
• Projekte, in denen Sprengvortrieb bedingt durch die Erschütterungen nicht erlaubt ist und die Tunnellänge für TBM-Systeme noch zu kurz ist

• einfachere Meisselanordnung, da identische Schnitt- und Rotationsrichtung
• geringeres Überprofil als Querschneidköpfe, da punktgenauere Führung des Kopfes
• geringerer Meisselverschleiss gegenüber Querschneidköpfen

• meist zwei Schrämköpfe quer zur Längsrichtung des Auslegerarms
• Schnittrichtung ist zur Irtsbrust gerichtet
• höhere Stabilität der TSM
• Hauptkraftrichtung in Längsrichtung der TSM gerichtet
• weniger empfindlich bei wechselnden Gesteinsbedingungen und Gesteinsfestigkeiten
• effizientere Nutzung der Schichtung des Gebirges
• meist ein weiteres Anwendungsspektrum als Längsschneidköpfe

Nachteil: verursacht im Regelfall grösseres Überprofil als Längsschneidköpfe

1. Kalottenabbau (nötigenfalls Stehenlassen eines Stützkeils) mit zurückgezogener Ladevorrichtung
2. Strossabbau mit ausgefahrener Ladevorrichtung
3. Sohlenabbau und Materialaufladen mit ausgefahrener und abgekippter Ladevorrichtung

Vorteile:

• erschütterungsarmes Arbeiten (Wohnbebauung)
• anpassungsfähig an sich verändernde Querschnitte und Gebirgsverhältnisse
• Zugänglichkeit der Ortsbrust bei zusätzlichen Sicherungs- und Wasserentspannungsmassnahmen
• kontinuierlicher Arbeitszyklus: Abbauen, Schuttern, Fördern
• profilgenauer Ausbruch
• gebirgsschonender Ausbruch

Nachteile:

• wirtschaftliche Abbaubarkeit nur bei geringer bis mittlerer Gesteinsfestigkeiten
• hoher Verschleiss an Meisseln
• aufwendige Massnahmen zum Entstauben der Luft sowie zur Bewetterung
• meist langsamer als Sprengvortrieb
• "Verbacken" des Schrämkopfes bei kohäsiven Böden

• genügende Anzahl von Bohrlöchern zur Aufnahme des Sprengstoffs notwendig
• durch richtige Anordnung kann Ortsbrust in festgelegten Abschlagstiefen gelöst werden
• Bohrlochdurchmesser in Bereichen von ca. 45 - 127 mm
• Bohrlochlängen je nach Tunnelquerschnitt und Standfestigkeit / Gefährdungsbild ca. 2 - 5 m

1. Bohrloch freiblassen und prüfen
2. Laden des Bohrlochs mit Sprengstoff und Zündmittel
3. Zündsystem anbringen (Zündkreis installieren und Zündmittel mit Zündübertragung verbinden)
4. Verdämmen
5. Zündkreis prüfen
6. Zünden

• Explosion:
  • schlagartig verlaufende chemische Reaktion eines brennbaren Stoffes mit Sauerstoff unter Freisetzung hoher Energie
  • kann nur ablaufen, wenn drei Faktoren zusammenkommen:
    • brennbarer Stoff
    • Sauerstoff
    • Zündquelle
• Detonation:
  • Explosion, bei der die Ausbreitung der chemischen Reaktion im Sprengstoff mit einer Stosswelle gekoppelt ist
  • es handelt sich um einen Verdichtungsstoss, der Druck und Temperatur stark erhöht

1. Bauhilfsmassnahmen
   • Spiesse
   • Rohrschirm
   • Jetting
   • Injektionen
   • Gefrierverfahren
   • Ortsbrustsicherungen
2. Ausbruchsicherung
   • Anker
   • Netze
   • Spritzbeton
   • Stahleinbau und Verzug
   • Tübbinge

• Lockergestein:
  • Vorpfändung mittels Verzugsblechen und Kanaldielen
  • Spiess-, Rohr-, HDI-Schirme (u.a. auch Ortsbruststabilisierung)
  • Setzungsstabilisierungsinjektionen
  • Gefrierschirme
• Festgestein (gebräch):
  • Spiesse
  • Rohrschirme
  • Kluftstabilisierungsinjektionen

• Tunnelbauverfahren, die durch systematisch vorauseilende Sicherungsmittel die Ortsbrust und das nach dem Ausbruch freistehende Gewölbe st¨tzen bis die konventionelle Gewölbesicherung aus Bögen, Spritzbeton und/oder Ankern nachgeführt wird
• zudem muss meist auch gleichzeitig die Ortsbrust durch das vorauseilende Gewölbe vom Silo- bzw. Bruchkörperdruck abgeschirmt werden

Vorteile:

• Setzen der Spiesse mit normalem Bohrjumbo mit einer Ankersetzeinrichtung
• Einsetzbar im gebrächen Gebirge (aufgrund der Gesteinsfestigkeit ist das Einbringen von Verzugsblechen hier oft nicht möglich)
• relativ schnell einbaubar (wie Anker)
• in Längsrichtung ist das Widerstandsmoment der Spiesse vernachlässigbar, jedoch wird das gebräche Gebirge bewehrt (vernagelt), so dass das Gebirge um den Ausbruch einen standfesten Ring bildet

Nachteile:

• relativ kurzer Wirkungsbereich (ein bis maximal zwei Abschlagslängen von ca. 80 - 120 cm)
• Nicht im Lockergestein mit auslauffähigen Böden (geringer Kohäsion) verwenden

Vorteile:

• Haupttragwirkung in Tunnellängsrichtung - als elastisch eingespanntes "Pfahlgewölbe" in Tunnellängsrichtung
• Minimierung von Auflockerungen und damit einhergehenden Setzungen
• lagegenaue Durchörterung von zerklüftetem Festgestein, Findlingen und Lockergestein
• Verpressen des Rohrschirms verfestigt das umliegende Gestein, Doppelrohrschirme erhöhen Widerstand
• Vortrieb direkt unterhalb von Fundamenten möglich

Nachteile:

• nicht auf grosse Einzellasten ausgelegt
• Bohren im "Sägezahn", d.h. erhebliches Überprofil (muss verfüllt werden) und variierende Geometrie der Ausbruchsicherung
• zeitaufwendig in der Herstellung

1. Herstellung des Jetschirmes im Pilgerschrittverfahren
2. Ortsbruststabilisierung
3. Vortrieb - sequentieller Ausbruch in kleinen Abschnitten und nachfolgende Sicherung + Ringschluss mit temporärem oder permanentem Beton- oder Spritzbetonsohlgewölbe

• Standsicherheit des Gewölbes während allen Phasen des Vortriebs (Gefährdungsbild Tagbruch)
• Standsicherheit der Ortsbrust in den Vortriebsphasen
• Begrenzung der Oberflächensetzungen sowie der Setzungsdifferenzen zur Sicherstellung der Umweltverträglichkeit und Verhinderung von Folgeschäden und -kösten

• In Querrichtung durch Ausbildung eines Druckgewölbes
• Zusammenwirken von Baugrund, Jetschirm und Sicherung rechnerisch nur näherungsweise modellierbar
• Eingangsparameter weisen eine relativ grosse lokale Steubreite auf:
  • Baugrundeigenschaften
  • Entwicklung der Festigkeits- und Verformungseigenschaften der Jetsäulen
  • Querschnittstoleranzen, Form und räumliche Lage der Jetsäulen

• Form und Grösse der Ortsbrust
• Material- und Festigkeitseigenschaften des Baugrundes
• Grundwasserverhältnisse
• Stützmassnahmen

• Stützkern
• Anker mit und ohne Verbaukappen
• konventionelle Injektionen
• Jetsäulen