Beurteilung der Einsatzmöglichkeiten und Einsatzgrenzen neuzeitlicher Sicherungs- und Ausbauverfahren im Tunnelbau nach bau- und betriebstechnischen Gesichtspunkten

Die Wahl des Vortriebes und die Art der Gebirgssicherung, deren gegenseitige baubetriebliche Abstimmung und Anpassung an die jeweiligen Gebirgsverhältnisse, haben einen erheblichen Einfluß auf Bauzeit und Kosten unterirdischer Bauwerke. Letztlich bestimmen Zeit- und Kostenaufwand der Teilleistungen die Grenzen des nach wirtschaftlichen und sicherheitstechnischen Maßstäben vertretbaren Risikos. Es liegt in der Natur des Gebirges, daß die Gesteinsart, Schichtung, Lagerung, Klüftung u. a. innerhalb kurzer Streckenabschnitte wechseln können, und damit der Erfahrung des Ingenieurs eine besondere Bedeutung zukommt.

Die technische Weiterentwicklung der Tunnelbauweisen stagnierte trotz der enormen Leistungen beim Bau der großen Eisenbahntunnel bis in die Zeit nach dem 2. Weltkrieg. Noch um die Jahrhundertwende galt Bruchstein- oder Ziegelmauerwerk als das zweckmäßige Material für Tunnelauskleidungen. Das Traggewölbe wurde im Schutze schwerer Holzzimmerungen freistehend aufgemauert und der Raum zwischen den Gewölbeflächen und dem Ausbruchsrand nach Beseitigung der Zimmerungsteile mit Steinen “trocken” hinterpackt oder höchstens mit einem minderwertigen Mörtelmauerwerk ausgefüllt [2]. Ein sattes Anliegen des Traggewölbes an das umgebende Gebirge war dadurch sowie durch den Umstand, daß häufig, besonders in sehr schlechtem Gebirge, Teile der Holzzimmerung nicht entfernt werden konnten und mit der Zeit verfaulten, nicht gewährleistet. Die Zeitspanne vom Ausbruch bis zur vorläufigen AbStützung des Gebirges durch eine aufwendige und recht nachgiebige Holzzimmerung war sehr groß. Spannungsumlagerungen und Bewegungen wurden durch das Auffahren einzelner Teilquerschnitte zusätzlich gefördert und führten zu Auflockerungen im querschnittsnahen Gebirge.

Der ursprüngliche, auf Grund der natürlichen Lagerungsverhältnisse und der Tektonik vorgegebene Spannungszustand des Gebirges geht nach dem Ausbruch eines unterirdischen Hohlraumes und der damit verbundenen Störung des primären Spannungsfeldes in einen veränderlichen, sekundären Zustand über. Infolgedessen wird der querschnittsnahe Bereich des Gebirges, der in der Literatur mit 2 bis 3 Bauwerksdurchmessern angegeben wird [15], durch Spannungsumlagerungen beansprucht. Die Größe der beeinflußten Zone ist abhängig von:

An die Sicherungs- und Ausbauverfahren werden auf Grund der örtlichen, geologischen und tektonischen Gegebenheiten sowie der Beanspruchung durch den Vortrieb stets unterschiedliche Anforderungen gestellt.

Der kostengünstige und auf die jeweiligen Bauwerks- und Gebirgsverhältnisse abgestimmte Einsatz der Sicherungselemente kann, wie die Praxis gezeigt hat, nicht ausschließlich mit rein theoretischen, mathematisch-physikalischen Rechenmodellen erreicht werden. Dazu bedarf es einer auf umfangreicher Baustellenerfahrung basierenden, aber ebenso schöpferischen Ingenieurtätigkeit. Mit Hilfe einer umfassenden, durch mehrere Informationsquellen abgesicherten Datenermittlung wird dieser Erkenntnis Rechnung getragen.

Die neuzeitlichen Sicherungs- und Ausbauverfahren sind durch das Bestreben gekennzeichnet, die natürliche Festigkeit des Gebirges zu erhalten und dessen Tragfähigkeit im technisch möglichen Umfang zu nutzen [19]. Durch den Verbund der Sicherungselemente wird im querschnittsnahen Bereich ein Tragring erzeugt, der den künstlich geschaffenen Hohlraum absichert, d.h., das Gebirge wird zum Mittragen herangezogen. Eine grundlegende Voraussetzung für die Erhaltung und Nutzung der Ge- birgstragfähigkeit ist die systematische Anpassung der Vortriebs- und Sicherungsarbeiten an die jeweiligen Gebirgsverhältnisse unter Zugrundelegung wesentlicher Teilaspekte wie

Gebirgsbeschaffenheit, Gebirgsdruck und die Beanspruchung von Auskleidung und Gebirge sind je nach Tiefenlage des Bauwerks schwer abzuschätzende Einflußgrößen. Sie können anhand von Laborversuchen und in situ-Messungen nur angenähert bestimmt oder durch vereinfachte, idealisierte Annahmen überschläglich ermittelt werden. Auf Grund des Verbundes zwischen Gebirge und Ausbau ist das statische Verhalten der Sicherungselemente eng mit dem Spannungs- Verformungsverhalten des Gebirges verknüpft. Wegen dessen Inhomogenität und Anisotropie sind sämtlichen Nachweisen zur Tragfähigkeit des natürlichen und künstlichen Traggewölbes nur Modelle zugrunde gelegt, die den tatsächlichen Gebirgsverhältnissen angenähert sind. Die Aussagefähigkeit statischer Berechnungen hängt daher in erheblichem Maße von der Übereinstimmung mit den in der Natur gegebenen Zuständen und Abläufen ab. Die hier aufgeführten Überlegungen und Rechenschritte dienen vornehmlich dem Zweck, anhand einfacher Modellvorstellungen die Tragfähigkeit der Elemente zu ermitteln und miteinander zu vergleichen.

Sicherungs- und Ausbaumaßnahmen werden in Leistungsverzeichnissen als Positionen ausgewiesen. Sie sind nach kalkulatorischen Gesichtspunkten bestimmten Teilleistungen zuzuordnen. Nach dem Kostenverursachungsprinzip müssen den Teilleistungen spezifische, leistungsgebundene Kosten zugerechnet werden, deren Ermittlung auf der Basis der Einzelkosten je Zeit- und Mengeneinheit erfolgt. Hierzu sind zunächst die Anzahl der Lohn- und Gerätestunden zu bestimmen, die für eine Mengeneinheit benötigt werden. Durch Ansatz von Mengen und Massen der verwendeten Sicherungselemente erfolgt sodann auf einer festen Preisbasis die Berechnung der Einzelkosten der Teilleistung. Zeit- und Kostenaufwand sind folglich nicht zu trennende Basiswerte einer Kalkulation. Sie werden als Beurteilungskriterien zur Einstufung der Wirtschaftlichkeit von Stützmaßnahmen herangezogen. Zudem kann über die Größe des Zeitaufwandes abgeschätzt werden, welche Verfahren zur Sicherung des freien Querschnittes in den verschiedenen Gebirgsverhältnissen geeignet sind. In Form einer Grundlagenkalkulation sollen vorerst die von den Baustellen- und Gebirgsverhältnissen unabhängigen Kosten bestimmt werden. Eine Berücksichtigung der Baustellen- und Betriebsfaktoren erfolgt erst im Zusammenhang mit der Untersuchung praktischer Ausführungsbeispiele. Sie ermöglicht eine Gegenüberstellung der theoretisch ermittelten Werte mit den praktischen Baustellendaten.

Ein Vergleich der Sicherungs- und Ausbauverfahren anhand bau- und betriebstechnischer Einsatzkriterien ist wegen der je nach Standort, Tiefenlage und Größe der Bauwerke unterschiedlichen Gegebenheiten an verschiedenen Objekten nur mit Einschränkung möglich. Die jeweils verschiedenartigen baubetrieblichen Voraussetzungen, das jeweilige Lohn- und Preisniveau sowie die stets andersgearteten Gebirgsverhältnisse schaffen keine einheitlichen Beurteilungsgrundlagen. In diesem Sinne vertretbare Aussagen über die technischen und wirtschaftlichen Einsatzgrenzen der Elemente können nur unter gleichen Bedingungen hinsichtlich der anstehenden Gebirgsverhältnisse sowie des gewählten Bemessungs- und Kalkulationsverfahrens getroffen werden. Anhand der in den vorhergehenden Kapiteln erarbeiteten Beurteilungsgrundlagen wurden deshalb die notwendigen Voraussetzungen zu wirtschaftlichen Vergleichsrechnungen geschaffen, die an vier für den Stollen- und Tunnelbau repräsentativen Ausbruchsquerschnitten durchgeführt werden.