Tunnel aus Beton - Brandschutz inklusive

Beim Ausbau des nationalen und internationalen Verkehrswegenetzes hat der Tunnelbau einen wesentlichen Anteil. Waren es zunächst nur natürliche Hindernisse wie Flüsse oder Berge, die zu Tunnelbaumaßnahmen zwangen, so sind heute zunehmend auch Maßnahmen des Umwelt- und Landschaftschutzes die Beweggründe. So wurde beim Bau des Burgholztunnels in Wuppertal nach jahrzehntelangen Diskussionen nur zum Schutz des Staatsforstes die Tunnellösung in bergmännischer Bauweise beauftragt [1]. Das folgende Bild zeigt einen Tunnel in offener Bauweise im Zuge der Schnellfahrstrecke Köln-Rhein/Main.

Die Belastungen der Tunnelwände sind extrem. Sie müssen dauerhaft dem Gebirgsdruck – auch im Brandfall – standhalten, Wasser am Eindringen in den Tunnelquerschnitt hindern, dem chemischen Angriff durch angreifende Wässer widerstehen und wirtschaftlich zu bauen und zu unterhalten sein. Aufgrund der hohen Investitionskosten für Tunnelbauwerke werden sie für Nutzungsdauern von in der Regel über 100 Jahren konzipiert. Aus betrieblichen und wirtschaftlichen Gründen verzichten die Betreiber gerne auf Tunnelwandverkleidungen. Beton erfüllt alle Anforderungen an den modernen Tunnelbau – und zwar für alle heute üblichen Bauweisen.

Tunnelbauweisen

Tunnel werden in erster Linie für den Straßen- und Schienenverkehr gebaut. Kleine Tunnel, z.B. eingleisige U-Bahn-Tunnel, haben lichte Abmessungen von rd. 5 m bis 6 m größere Tunnel - z.B. zweigleisige Bahntunnel oder mehrspurige Straßentunnel - von 12 m bis 14 m.
Je nach Erdüberdeckung des Tunnelbauwerks und anzutreffendem Untergrund werden verschiedene Tunnelbauweisen eingesetzt.

Im standfesten Gebirge erfolgt der Ausbruch meist im Sprengvortrieb. Beim modernen Vollausbau (Spritzbetonbauweise oder Neue Österreichische Tunnelbaumethode NÖT) werden die freigelegte Flächen durch Spritzbeton [8], Felsanker, Stahlbögen und andere Bauelemente gesichert. Das Tunnelprofil ist annähernd kreisförmig.

Im nicht standfesten Gestein werden selten noch traditionelle Bauweisen, meist aber der Schildvortrieb angewendet. Hier wird ein als Deckschild bezeichneter kreisrunder Stahlzylinder im Querschnitt des späteren Tunnelprofils mit hydraulischen Pressen vorgetrieben. Ein rotierender Bohrkopf löst das Gestein im Durchmesser des Endquerschnitts und fördert es über das Schildinnere auf Förderbänder. Das Gebirge wird mit Tübbings ausgekleidet, wobei meistens sieben Tübbings einen geschlossenen Ring ergeben. Der Raum zwischen Tübbing und Gebirge wird verpresst (Ringspaltverpressung). Bei wasserführenden Gesteinsschichten kann der Arbeitsraum durch eine Rückwand abgeschlossen und unter Überdruck gesetzt werden, so dass kein Wasser in die Vortriebsmaschine eindringen kann.

Bei geringen Erdüberdeckungen, z. B. bei Unterfahrungen von Bebauung im innerstädtischen Bereich, werden das HDI- und das Gefrierverfahren eingesetzt. Beim HDI-Verfahren werden unter hohem Druck Zementsuspensionen über horizontale oder leicht geneigte Bohrungen in den Baugrund gepresst. Die so entstehenden sehr langen HDI-Säulen stabilisieren den Boden. Unter dem Fächer der HDI-Säulen erfolgt dann der Tunnelvortrieb. Beim eher selten eingesetzten Gefrierverfahren wird dasselbe Ergebnis über die Vereisung des Baugrunds über horizontale Langstreckenbohrungen erreicht.

Die offene Bauweise ist bei geringer Tiefenlage des Tunnels eine sehr kostengünstige Bauweise. Vor dem Bodenaushub werden Baugrubenumschließungen, z.B. als Bohrpfahlwände oder Schlitzwände, eingebracht, die oft konstruktiv in das entstehende Tunnelbauwerk einbezogen werden. Normalerweise bleibt die Baugrube während der gesamten Bauzeit der Sohlen und Wände offen. Erst nach dem Abschluss dieser Arbeiten wird die Decke betoniert und mit Erdreich überschüttet. Bei der Deckelbauweise wird bei Erreichen einer Höhe, in der Bagger und Radlader arbeiten können, ein oberer Deckel betoniert, unter dem die weiteren Arbeiten stattfinden können, während auf dem Deckel z. B. schon wieder der Straßenverkehr fließt. Der Tunnelquerschnitt ist meist rechteckig.

Zur Querung von Gewässern wird auch die Einschwimm- und Absenktechnik (Senkkasten oder Caissons aus Beton) angewendet. Hier werden an Land vorgefertigte Senkkästen (Caissons) aus Beton mit rechteckigem Querschnitt eingeschwommen und in das Flussbett abgesenkt.

Ortbeton für Tunnelinnenschalen

Bei bergmännisch aufgefahrenen Tunneln führte die Spritzbetonbauweise (Neue Österreichische Tunnelbauweise NÖT) zu einer zweischaligen Bauweise mit einer Außenschale aus Spritzbeton und einer Innenschale aus Ortbeton.

Bewehrung einer Tunnelinnenschale und Tunnelschalwagen

Der Spritzbeton wird zur vorläufigen Sicherung des Gebirges sofort nach dem Ausbruch aufgebracht. Zusätzlich kann die Sicherung mit Stahlbögen, Ankern und Bewehrungsrnatten erforderlich sein.

Die Innenschale aus Ortbeton dient der dauerhaften Sicherung des Tunnels und wird auf Tunnelschalwagen betoniert. Die Schale weist in der Regel Dicken von 30 cm bis 60 cm auf, kann aber auch deutlich dicker werden. Die Abschnittslängen, in denen die Innenschale betoniert wird, betragen rd. 8 m bis 12,5 m. Größere Tunnel werden meist mit vorauslaufender Sohlplatte betoniert. Bei kleineren Tunneln wird oft die gesamte Innenschale rundum in einem Betoniervorgang in voller Abschnittslänge hergestellt. Die Innenschale kann bewehrt oder unbewehrt sein.

Neben den Anforderungen an den Festbeton stellt das gewählte Bauverfahren und der vorgesehenen Arbeitstakt auch Anforderungen an den Frischbeton. Dies sind vor allem die Forderung nach einer leicht verarbeitbaren Konsistenz, einem guten Zusammenhaltevermögen des Betons (geringe Neigung zum Entmischen) und einer ausreichenden Festigkeit zum planmäßigen Ausschalzeitpunkt. Diese Festigkeit muss bei allen Temperaturverhältnissen erreicht werden, darf sie aber auch nicht wesentlich überschreiten werden (höchstens 5 N/mm²), um eine unnötige Temperaturerhöhung im Bauteil mit der entsprechenden Gefahr einer Rissbildung zu vermeiden. Je kleiner die Tunneldurchmesser und je länger die Ausschalfristen (z.B. 2-Tage-Takt) sind, umso langsamer kann die Festigkeitsentwicklung (und entsprechend niedriger die Hydratationswärmeentwicklung) der optimierten Betonzusammensetzung geplant werden.

Um einen dichten und dauerhaften Beton zu erzeugen, ist ein maximaler Wasserzementwert von w/z = 0,50 bis 0,55 anzustreben. Der Mindestzementgehalt sollte 300 kg/m³, unter besonderen Bedingungen auch 270 kg/m³, betragen.

Konsistenz, Zusammenhaltevermögen, Einbringen und Verdichten des Betons sind so aufeinander abzustimmen, dass der Beton keine Fehlstellen aufweist und alle Einbauteile sowie die Bewehrung vollständig in dichtem Beton eingebettet sind.

Tübbings für Tunnelschalen

Die Anzahl der Tunnelbauwerke, die im Schildvortrieb mit einschaligen, wasserdichten Tübbingauskleidungen erstellt wurden, hat in den letzten Jahren weltweit sprunghaft zugenommen [2]. Die Tübbings werden in der für den Einbau erforderlichen hohen Präzision in einer Feldfabrik oder in einem Betonfertigteilwerk hergestellt und auf Schienenfahrzeugen zur Einbaustelle transportiert. Im Schildschwanz der Vortriebsanlage werden die Tübbings aufgenommen und an das Gebirge gesetzt. Sieben Tübbings ergeben meist einen geschlossenen Ring. Die Länge der Segmente in Ringrichtung ergibt sich durch die Festlegung der Ringteilung bei einem vorgegebenen Tunneldurchmesser. Der Ringspalt zwischen Gebirge und Tübbingauskleidung wird verpresst. Die Abdichtung der Fugen zwischen den einzelnen Tübbings erfolgt mit Dichtungsprofilen oder Dichtungsrahmen (Elastomer).

Tübbings für den Stadtbahnbau Köln

Die Tübbings unterliegen im Bauzustand einer zusätzlichen Beanspruchung dadurch, dass sich das Vortriebsschild gegen die Tübbings presst, um den axialen Vortriebsdruck ins Gebirge einleiten zu können. Diese besonderen Beanspruchungen erfordern besondere Sorgfalt und Erfahrung bei der Planung. Vollständige und detaillierte Regelwerke und Empfehlungen liegen für diesen speziellen Bereich des Ingenieurtunnelbaus nicht vor [2], so dass sich der Planer auf Praxiserfahrungen und Forschungsergebnisse abstützen muss. Große Längen-Breiten-Verhältnisse der Tübbings führen zu höheren Beanspruchungen der Tübbings (Scheibenbeanspruchung) als kleine. Dies zieht eine zusätzliche Bewehrung im Bereich der Tübbingringfugen nach sich. Ab einem Längen-Breiten-Verhältnis über 3,5 liegen sehr ungünstige Bedingungen vor. Mit Finite-Elemente-Berechnungen können die genauen Beanspruchungen ermittelt werden. Hierbei sind dann die erwarteten maximalen Vortriebspressenkräfte, die Krafteinleitung sowie die Auflagerbedingungen der Tübbings realistisch abzubilden [2].

Brandschutz

In den letzten Jahren ist mehrfach deutlich geworden, welche katastrophalen Auswirkungen Tunnelbrände haben können. Neben den furchtbaren Folgen für Personen können aufgrund der extremen Hitzeeinwirkung auch Schäden an der tragenden Tunnelkonstruktion entstehen. Die maximalen Temperaturen bei Brandversuchen mit Straßenfahrzeugen erreichten im Bereich der Tunneldecke nach nur 5 bis 10 Minuten 800 °C bis 1000 °C. Versuche zeigen, dass der maßgebende Temperaturanstieg bei einem Tunnelbrand wesentlich stärker ist, als dies üblicherweise für den Hochbau angenommen wird [3]. Die Regelwerke sehen als Brandschutzmaßnahmen eine Bekleidung der Tunnelinnenschale oder den Einbau eines feuerwiderstandsfähigen Betons vor. Aus wirtschaftlichen Gründen streben Tunnelbetreiber unverkleidete Konstruktionen an.

Der Feuerwiderstand von Stahl ist sehr gering, die Temperatursteigerungsrate im Querschnitt sehr hoch. Unverkleideter Stahl verliert im Brandfall sehr schnell seine Tragfähigkeit und es besteht Einsturzgefahr. Bei Tunnelinnenschalen aus Beton liegt die Bewehrung aus Stahl gut geschützt mit ausreichender Überdeckung im Beton. Da die Temperatursteigerung in einem Betonbauteil gering ist, werden in den inneren oder nicht beflammten Bauteilbereichen keine so hohen Temperaturen erreicht wie auf Flächen, die den Flammen zugewandt sind [9]. Die Betonüberdeckung der für den Brandfall bemessenen Betonbauteile ist so groß, dass auch bei den im Brandfall auftretenden Betonabplatzungen die Standsicherheit der Konstruktion nicht gefährdet ist.

Betoninnenschalen lassen sich nach einem Brand einfach instandsetzen, z.B. mit Spritzbeton. In [5] wird eine Tunnelauskleidung aus einer geschliffenen weißen Spritzmörtelschicht beschrieben, die neben den Anforderungen an die Dauerhaftigkeit auch fahrpsychologischen und ästhetischen Ansprüchen gerecht wird.

Betonabplatzungen im Brandfall lassen durch betontechnologische Maßnahmen wie Auswahl der Gesteinskörnung und Faserzugabe von vornherein stark reduzieren. Die Betonabplatzungen entstehen in einer mit Wasser gesättigten Zone, wenn durch hohe Brandtemperaturen das Wasser verdampft und die hohen Dampfdrücke die Betonoberfläche absprengen. Die Zugabe von Kunststofffasern, die je nach Faserart bei Temperaturen von rd. 160 °C schmelzen [3], induzierten im Brandfall haarfeine Poren und Mikrorisse, die dem Dampf Raum zum Ausdehnen bieten und den Dampfdruck vermindern.

Aspekte des Brandschutzes führen auch dazu, dass in Tunnelstrecken die Straßendecke meist in Betonbauweise ausgeführt wird [1].

Fahrbahndecken aus Beton in Tunnels

Neben den bekannten vorteilhaften Gebrauchseigenschaften von Fahrbahndecken aus Beton ist bezüglich des Einsatzes in Tunnelstrecken vor allem hervorzuheben, dass Beton nicht brennt und somit auch nicht zur Rauchentwicklung bei Tunnelbränden beiträgt [6]. Darüber hinaus spart ihre Helligkeit in Abhängigkeit von der Tunnellänge und der Leuchtdichte der Tunnelbeleuchtung bis zu 35 % der Stromkosten ein [6].

Tunnelbaustellen sind sensible Bereiche. Betondecken reduzieren die Unterhaltungsarbeiten im Tunnel, erhöhen durch weniger Verkehrsbeschränkungen die Verkehrssicherheit und verbessern den Verkehrsfluss.

Da bergmännisch vorgetriebene Tunnel in aller Regel einen geschlossenen Kreisquerschnitt aufweisen, ist über der Tunnelsohle ausreichend Raum vorhanden, eine Betonfahrbahndecke und die Tragschichten auf einer Kiesausgleichsschicht einbauen zu können [6]. Der Straßenoberbau im Tunnel entspricht dabei der Bauklasse der Fahrbahnbefestigung außerhalb des Tunnelbauwerks. Es ist konstruktiv und baubetrieblich vorteilhaft, wenn sich außerhalb des Tunnelbauwerks eine Fahrbahndecke aus Beton anschließt. Erhält nur die Tunnelstrecke eine Fahrbahndecke aus Beton, sind besondere Maßnahmen zur Sicherung der letzten Platte erforderlich.

Die Herstellung der Betondecke im Tunnel entspricht denselben Prinzipien wie denen auf freier Strecke. Querfugen sollten aber in kürzeren Abständen angeordnet werden, da der ständige Luftzug im Tunnel zu einem stärkeren Austrocknen der oberen Betonschicht führt und sich dadurch unter Umständen die Betonplatten nach oben wölben können. Eine Verkürzung der Plattenlänge auf etwa 4 m wirkt dem entgegen [6]. 

Schallschutz an Tunnelportalen

Liegen Tunnelportale nahe Wohngebieten, ist dem Schallschutz besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Die röhrenartige Tunnelform kanalisiert die von den Fahrzeugen erzeugte Schallenergie. Die im Tunnel relativ schwach gedämpften Schallwellen werden dann im Portalbereich konzentriert in die Umgebung abgestrahlt. Eine wirksame Gegenmaßnahme ist die Verkleidung der Tunnelwände auf einer Länge von mindestens 30 m vor dem Tunnelportal mit einem schallabsorbierenden System. Außerhalb des Tunnelportals können Lärmschutzwände die Wohnbereiche schützen.

Der bei eingleisigen Tunnelröhren bei schnellem Zugverkehr auftretende Tunnelknall-Effekt (Sonic-Boom), der durch Mikrodruckwellen hervorgerufen wird, kann durch Querschnittsaufweitungen am Tunnelausgang, Deckenöffnungen am Tunnelportal, Einhausungen am Tunnelportal und Erhöhung der Absorptionsfähigkeit des Tunnels durch strukturierte Oberflächen vermieden werden.

Weiterführende Literatur

[1]    Friese, Marcus; Funk, Zacharias; Mähner, Dietmar; Zenz, Andreas: Spritzbeton- und Betonarbeiten am Tunnel Burgholz. in beton 3-2005, S. 92

[2]    Thomas Flath: Einschalige, wasserdichte Tübbingauskleidungen. beton 1-2007, S. 10

[3]    Bodo Billig, Hansgeorg Balthaus, Hans-Wilhelm Dorgarten: Tunnelkonstruktionen aus feuerwiderstandsfähigem Beton. beton 6-2005, S. 290

[4]    Wolfgang Kusterle, Wolfgang Lindlbauer, Stefan Hanser: Polypropylen-Faserbeton als Brandschutzmaßnahme im Tunnelbau. beton 10-2005, S. 480

[5]    Stefan Krispel: Tunnelauskleidung aus geschliffener weißer Spritzmörtelschicht. beton 5-2011, S. 164

[6]    Reinhard Grüning: Betondecken auf Brücken und in Tunneln. beton 11-2004, S. 530

[7]    Ehrlich, Norbert; Hersel, Otmar: Straßenbau heute – Betondecken. Verlag Bau+Technik GmbH, Düsseldorf 2010

[8]    Schorn, Sonnenberg, Maurer: Spritzbeton

Lesetipp:

Umfassender Brandschutz mit Beton
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