Ingenieurgeologie

Ingenieurgeologie

Helmut Prinz Roland Strauß

Ingenieurgeologie 6. Auflage

Helmut Prinz Bingen Deutschland

Roland Strauß Geologischer Dienst NRW Landesbetrieb Krefeld Deutschland

ISBN 978-3-662-54709-0    ISBN 978-3-662-54710-6 (eBook) https://doi.org/10.1007/978-3-662-54710-6 Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; ­detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar. Springer Spektrum © Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 1982, 1991, 1997, 2006, 2011, 2018 Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung, die nicht ausdrücklich vom Urheberrechtsgesetz zugelassen ist, bedarf der vorherigen Zustimmung des Verlags. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Bearbeitungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk ­berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Warenzeichen- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Der Verlag, die Autoren und die Herausgeber gehen davon aus, dass die Angaben und Informationen in diesem Werk zum Zeitpunkt der Veröffentlichung vollständig und korrekt sind. Weder der Verlag, noch die Autoren oder die Herausgeber übernehmen, ausdrücklich oder implizit, Gewähr für den Inhalt des ­Werkes, etwaige Fehler oder Äußerungen. Planung: Frank Wigger Einbandentwurf: deblik, Berlin Einbandabbildung: alter Steinbruch Dorndorf (Werratal) in Sandsteinen der Bernburg-Folge (Unterer Buntsandstein) mit salzhangbedingten Zerrspalten. Foto: S. Schmidt/J. Wunderlich, Weimar Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier Springer Spektrum ist ein Imprint der eingetragenen Gesellschaft Springer-Verlag GmbH, DE und ist ein Teil von Springer Nature. Die Anschrift der Gesellschaft ist: Heidelberger Platz 3, 14197 Berlin, Germany

V

Vorwort zur 6. Auflage Die vorliegende 6. Auflage wurde ergänzt und thematisch aktualisiert und es sind die geostrategischen Fragestellungen der Zeit aufgenommen worden. Der bisher großen Resonanz entsprechend soll auch die 6. Auflage sowohl Studierenden als auch im Beruf stehenden Geowissenschaftlern und Bauingenieuren ein praxisnahes Wissen vermitteln und auch als Nachschlagewerk dienen. Wer sich intensiver mit speziellen ingenieurgeologischen Problemen befassen muss, findet entsprechende Literaturzitate. Hinweise auf Fehler aller Art und auch weiterführende Anregungen sind immer willkommen.

Unser besonderer Dank gilt Herrn Prof. Dr.-Ing. habil. R. Schwerter, Putzkau, der freundlicherweise eine fachliche Durchsicht vorgenommen und viele Anregungen gegeben hat. Sehr zu danken haben wir auch den Herren Dr. S. Schmidt, Weimar, und Dr. H.-M. Möbus, Wiesbaden, für zahlreiche Anregungen. Speziell bedanken wollen wir uns bei Frau C. Lerch und Frau K. Beifuß für das ausgezeichnete und geduldige Lektorat. Besonderer Dank gebührt auch Lilli Prinz, die den Zeitaufwand auch für diese Überarbeitung mit bewundernswerter Geduld ertragen hat. Prof. Dr. Helmut Prinz

Bingen

Prof. Dr. Roland Strauß

Krefeld Im Dezember 2017

VII

Inhaltsverzeichnis 1

Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   1

1.1 1.2 1.3

Aufgabenstellung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   2 Verbindlichkeit von Normen und Richtlinien, Baugrundrisiko. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   3 Formelzeichen, Einheiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   6

2

Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .   9

Definitionen, Richtlinien, Normen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.1 Korngröße, Kornverteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2 2.2.1 Siebanalyse. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.2 Sedimentationsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.3 Sieb- und Sedimentationsanalyse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.4 Darstellung und Beschreibung der Kornfraktionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.5 Körnungen als Handelsbegriff. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.6 Hydraulische Instabilität und Filter für Dränmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.7 Filtersande und Filterkiese für den Brunnenbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.2.8 Aufbau und Eigenschaften der Tonminerale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Kalkgehalt, organische und andere Beimengungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3 2.3.1 Kalkgehalt (VCa). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.2 Organische Bestandteile (Vgl). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.3.3 Schwefelverbindungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Das Dreistoffsystem Boden bzw. Fels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4 2.4.1 Wassergehalt (w), Sättigungszahl (Sr), Wasseraufnahmevermögen (wA). . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.2 Korndichte (ρs), Reindichte (ρr), Feststoffdichte (ρF). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.3 Dichte (ρ) und Wichte (γ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.4.4 Porenanteil (n), Porenzahl (e), Porosität (p). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lagerungsdichte (D). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5 2.5.1 Lagerungsdichte nichtbindiger Lockergesteine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.5.2 Lagerungsdichte bindiger Lockergesteine, Proctorversuch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Zustandsform, Konsistenzgrenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.6 Verformungsverhalten, Druck- und Zugfestigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7 2.7.1 Grundlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.2 Wirkung des Wassers, Porenwasserdruck. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.3 Spannungs-Verformungs-Beziehungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.4 Bodensteifigkeit, Steifemodul (Es), Zeitsetzungsverhalten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.5 Verformungsmodul (Ev) und Bettungsmodul (ks) aus dem Plattendruckversuch . . . . . . . . 2.7.6 California-Bearing-Ratio-Versuch (CBR-Versuch). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.7 Verformungsmodul (Ev) aus Bohrlochaufweitungsversuchen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.8 Diskussion der Verformungsmoduln des Gebirges. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.9 Primärspannungszustand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.10 Druckfestigkeit, Zugfestigkeit, Sprödigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.7.11 Volumenzunahme durch Quellen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 11  13  13  13  15  15  17  19  23  23  26  27  28  29  29  29  32  33  36  38  38  38  40  44  44  46  48  49  55  57  58  59  60  67  76

VIII

Inhaltsverzeichnis

2.8 Scherfestigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.1 Grundlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.2 Direkter Scherversuch mit vorgegebener Scherfläche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.3 Konsolidierte triaxiale Kompressionsversuche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.4 Undränierte Scherfestigkeit cu. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.5 Großscherversuche . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.8.6 Diskussion der Scherfestigkeitsparameter (φ, c) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Durchlässigkeit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9 2.9.1 Durchlässigkeit von Lockergesteinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9.2 Durchlässigkeit von Fels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9.3 Laborversuche zur Ermittlung des k-Wertes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9.4 Feldversuche zur Ermittlung des k-Wertes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9.5 Durchlässigkeitsbeiwerte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9.6 Grundwasserfließparameter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9.7 Kapillarität, kapillare Steighöhe (hk), Saugspannung (s). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2.9.8 Sickerwasser, Grundwasserneubildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

 79  79  81  82  84  86  89  95  95  97  99 100 112 116 118 120

3

Beschreibung und Einstufung von Boden und Fels, Bruchtektonik. . . . . . . . . 123

3.1 3.2 3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5 3.3 3.3.1 3.3.2 3.3.3

Benennung und Beschreibung von Boden und Fels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 Gruppeneinteilung der Böden nach DIN 18 196. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

Grobkörnige Böden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gemischtkörnige Böden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Feinkörnige Böden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Organische und organogene Böden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufgeschüttete Bodenarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Einstufung von Boden und Fels nach den ATV-Normen der VOB. . . . . . . . . . . . . . . . . Boden- und Felsklassen für Erdarbeiten nach DIN 18 300 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Boden- und Felsklassen für Bohrarbeiten nach DIN 18 301. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Benennung und Einstufung von Boden und Fels nach DIN 18 304, Ramm-, Rüttel- und Pressarbeiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Beschreibung von Gesteinen und Fels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 3.4.1 Gesteinsbeschreibung für bautechnische Zwecke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.2 Verwitterung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4.3 Trennflächen und ihre Bedeutung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Plattentektonik, bruchmechanische Deutung und Ausbildung tektonischer 3.5 Störungszonen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.1 Bruchmechanische Deutung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.2 Ausbildung und Erkundung tektonischer Strukturen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.3 Rezente tektonische Spannungen und Deformationen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5.4 Übersicht über die tektonischen Großstrukturen in Deutschland. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

126 126 126 127 128 128 131 133

4 Erkundungsmethoden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen und Erkundungsumfang . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.1 Spezielle Arbeiten im Rahmen der Voruntersuchung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 4.2.1 Geologische und ingenieurgeologische Karten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.2 Gefahrenhinweis- und Risikokarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2.3 Erdbebengefährdung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Indirekte Erkundungsmethoden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3

175 176 177 178 178 180 191

134 134 135 140 142 152 154 158 162 165

IX Inhaltsverzeichnis

4.3.1 Projektkartierungen, Luftbildauswertung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.2 Geophysikalische Erkundung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3.3 Gasgeochemisches Monitoring. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Direkte Aufschlussmethoden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 4.4.1 Gesetzliche Vorschriften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.2 Art und Umfang der Baugrunderkundung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.3 Boden- und Gesteinsproben, Probenentnahme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.4 Schürfe, Untersuchungsschächte und -stollen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.5 Bohrungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4.6 Sondierungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Aufnahme von Aufschlüssen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 4.5.1 Aufnahme von Schürfen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.2 Aufnahme von Bohrungen im Lockergestein. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5.3 Aufnahme von Bohrungen im Fels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erfassung der Grundwasserverhältnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 Darstellung der Boden- und Felsarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Bohrlochmessungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8 4.8.1 Bohrlochsondierungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.2 Bohrlochabweichungsmessungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.3 Geophysikalische Bohrlochmessungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.8.4 Verschiebungsmessungen in Bohrlöchern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

5

191 193 199 203 203 206 207 209 210 217 224 224 225 228 231 237 237 237 239 240 243

Einführung in die Berechnungsverfahren für Flachgründungen und Geländebruch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.1 Sicherheitsnachweise für Bauwerke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 5.2.1 Berechnungsmodelle, Nachweisverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.2 Grenzzustand und Bemessungssituation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.3 Geotechnische Einwirkungen und Widerstände. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.4 Charakteristische Werte geotechnischer Kenngrößen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2.5 Bemessungswerte, Teilsicherheitsbeiwerte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sohldruckverteilung in der Fundamentsohle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3 5.3.1 Mittige und ausmittige Beanspruchung von starren Einzelfundamenten. . . . . . . . . . . . . . . 5.3.2 Linien- und Einzellasten auf Streifenfundamenten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.3.3 Grundlagen des Bettungsmodul- und Steifemodulverfahrens . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Nachweis der Tragfähigkeit von Flachgründungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 5.4.1 Gleitsicherheit (EQU). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.2 Kippsicherheit (EQU). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.3 Sicherheit gegen Aufschwimmen (UPL). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.4 Hydraulischer Grundbruch (HYD). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4.5 Grundbruchsicherheit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Sohlspannungsverteilung und Setzung von Flachgründungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5 5.5.1 Theorie der Sohlspannungsverteilung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.2 Sohlspannungsverteilung im Baugrund. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.5.3 Ermittlung der Setzungen von Streifen- und Einzelfundamenten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen für die Ermittlung des Erddrucks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6 5.6.1 Erddruckarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.6.2 Wahl des Erddruckansatzes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

249 249 251 253 253 254 254 255 256 258 258 259 259 260 260 262 264 265 265 266 268 274 274 274

X

5.6.3 5.7 5.7.1 5.7.2 5.7.3 5.7.4 5.7.5 5.7.6 5.7.7

Inhaltsverzeichnis

Bodenkennwerte für Erddruckberechnungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276

Standsicherheitsnachweise für Geländebruch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 Berechnungsmodelle und Sicherheiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Standsicherheit bei ebener Gleitfläche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Standsicherheit bei gebrochener Gleitfläche. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Standsicherheitsnachweis nach den Lamellenverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Starrkörpermethode bzw. Blockgleitverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Standsicherheit von Felsböschungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Mechanische Wirkung des Wassers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

277 280 281 282 284 284 287

6

Flachgründung, Setzungen, Ursache von Rissschäden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291

6.1 6.2 6.3 6.4 6.4.1 6.4.2 6.5 6.5.1 6.5.2 6.5.3 6.5.4 6.5.5 6.5.6

Prinzip der Flächengründung, Fundamentarten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gründungstiefe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bemessungswerte des Sohlwiderstands in einfachen Fällen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Setzungen und Setzungsunterschiede, Rissschäden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Setzungsunterschiede, verträgliche Setzungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ursachen und Deutung von Rissen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ursache unkonventioneller Setzungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Vernässung, Wasserdurchströmung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Thermischer und vegetationsbedingter Feuchtigkeitsentzug. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundwasserabsenkung und Wegfall des Auftriebs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Entnahme von Erdgas und Erdöl. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Baugrundhebungen infolge von Quellerscheinungen oder Kristallisationsdruck. . . . . . . . Einfluss von Erschütterungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

292 292 292 295 295 297 299 299 299 302 303 304 305

7 Baugrundverbesserung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Konstruktive Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.1 Mechanische Baugrundverbesserungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 7.2.1 Verdichtung und Bodenaustausch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.2 Rüttelstopfverdichtung, Stabilisierungssäulen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2.3 Dynamische Intensivverdichtung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Injektionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3 7.3.1 Feststoffinjektionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.2 Chemische Injektionen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.3 Umweltverträglichkeit der Injektionsmittel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Frac-Verfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4 Düsenstrahlverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.5

311 312 313 313 315 317 318 318 321 322 322 324

8

Pfahlgründung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327

8.1 8.1.1 8.1.2 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.2.5

Einteilung und Tragverhalten der Pfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 Tragverhalten der Pfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pfahlarten und Baustoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundlagen der Pfahlbemessung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermittlung der Pfahltragfähigkeit durch Probebelastung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bemessungsverfahren für Bohrpfähle aus Erfahrungs- bzw. Tabellenwerten. . . . . . . . . . . . Tragfähigkeit von Reibungspfählen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Horizontale Einwirkung auf Pfähle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Negative Mantelreibung und Seitendruck auf Pfähle in weichen Böden. . . . . . . . . . . . . . . .

328 329 330 332 334 336 338 339

XI Inhaltsverzeichnis

8.2.6 Tragfähigkeit von Pfahlgruppen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verdrängungspfähle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3 8.3.1 Fertigpfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.2 Ortbetonrammpfähle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.3.3 Schraubpfähle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Bohrpfähle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4 8.4.1 Normalkalibrige Bohrpfähle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.4.2 Großbohrpfähle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Pfähle mit kleinen Durchmessern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5

340 341 342 343 343 344 345 346 347

9 Baugruben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Baugrubenaushub . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.1 Geböschte Baugruben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Baugrubenverbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3 9.3.1 Trägerbohlwandverbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.2 Spundwandverbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.3 Bohrpfahlwände. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.4 Schlitzwände. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.3.5 Nagelwände. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Baugrubenverbau mit begrenzter Durchlässigkeit (Dichtwände) . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4 9.4.1 Schlitzwandverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4.2 Bohrpfahlwände oder DS-Säulenkörper. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4.3 Schmalwände. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.4.4 Sohldichtung von Baugruben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ankersicherung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5 9.5.1 Herstellung von Verpressankern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5.2 Ankersysteme von Verpressankern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5.3 Prüfung der Anker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.5.4 Bemessung der Anker. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

349 350 350 351 352 353 354 354 355 357 358 358 359 359 361 362 364 366 366

10 Schutz der Bauwerke vor Grundwasser, Versickerung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.1 Grundwasserstand, Bemessungswasserstand. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.2 Dränung und Abdichtung von Bauwerken . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.3 Druckwasserhaltende Abdichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.4 Dezentrale Regenwasserversickerung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5 Betonangreifende Wässer und Böden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.1 Entnahme und Untersuchung von Grundwasser- und Bodenproben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.2 Untersuchungsmethoden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.3 Betonaggressive Stoffe und ihre Wirkung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.4 Beurteilung der Aggressivität. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10.5.5 Bauliche Schutzmaßnahmen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

371 372 374 375 376 377 378 380 380 383 384

11

Wasserhaltung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387

11.1 11.2 11.3 11.4 11.5

Rechtliche Grundlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Offene Wasserhaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundwasserabsenkung mit Brunnen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Grundwasserabsenkung im Vakuumverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Elektroosmotische Entwässerung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

388 390 391 394 396

XII

Inhaltsverzeichnis

11.6 11.7

Berechnung einer Grundwasserabsenkung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396 Grundwasserkommunikationsanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399

12 Erdarbeiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.1 Gewinnung und Förderung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2 Einbau und Verdichtung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2.1 Verdichtbarkeit der Boden- und Felsarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2.2 Verdichtungsgeräte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2.3 Verdichtungsanforderungen nach ZTVE und RiL 836 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2.4 Verdichtungskontrollen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2.5 Dammaufstandsfläche und Dammschultern. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2.6 Hinterfüllen und Überschütten von Bauwerken. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.2.7 Erdbaumaßnahmen in Wasserschutzgebieten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3 Bodenverbesserung und Bodenverfestigung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.1 Bodenverbesserung mit Kalk. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.2 Bodenverfestigung mit Zement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.3 Bodenverbesserung und Bodenverfestigung mit Mischbindemitteln . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.3.4 Verbesserung der Tragfähigkeit und der hydraulischen Stabilität durch Geokunststoffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4 Frostwirkung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.1 Frostempfindlichkeit von Erdstoffen und Fels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.2 Tragschicht und Frostschutzschicht im Straßenbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.4.3 Bettung, Frostschutz- und Planumschutzschicht bei Gleisanlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5 Verwertung von Bodenaushub und Bauschutt. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5.1 Verwertungsgebot, Abfallarten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5.2 Klassifikation und Dokumentation der Abfälle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5.3 Untersuchungsumfang, Probennahme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12.5.4 Anforderungen an die Verwertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

401 403 406 407 409 410 412 415 415 416 417 418 419 419

13 Standsicherheit von Böschungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1 Böschungsneigungen in Lockergesteinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1.1 Grobkörnige Böden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1.2 Feinkörnige Böden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1.3 Gemischtkörnige Böden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1.4 Heterogene (geschichtete) Böden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.1.5 Halden- und Kippenböschungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2 Böschungen im Fels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2.1 Einfluss des Trennflächengefüges und der Frostbeständigkeit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2.2 Böschungsneigungen und Böschungsformen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.2.3 Herstellen von Felsböschungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3 Sicherungsmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.1 Bautechnische Maßnahmen beim Böschungsbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.2 Erosionsschutz- und Lebendverbaumaßnahmen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.3.3 Entwässerungsmaßnahmen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.4 Erfahrungswerte von Böschungsneigungen in Mittelgebirgen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.4.1 Alte Gebirge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.4.2 Schichtgesteine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.5 Tertiäre und quartäre Gesteine, Braunkohletagebaue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13.6 Böschungen in Steine- und Erdenbetrieben. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

435 437 437 438 438 438 439 439 439 440 442 444 444 447 449 450 450 451 452 453

420 423 423 425 426 427 427 429 429 431

XIII Inhaltsverzeichnis

14 Standsicherheit und Verformung von Dämmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1 Standsicherheit von Dämmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1.1 Grundbruchsicherheit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1.2 Gleit- bzw. Spreizsicherheit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1.3 Sicherheit gegen Böschungsbruch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.1.4 Dämme auf wenig tragfähigem Untergrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.2 Setzungen von Dämmen auf tragfähigem Untergrund . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3 Maßnahmen zur Erhöhung der Standsicherheit und Abminderung der Setzungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.1 Maßnahmen bei der Dammschüttung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.2 Punkt - und streifenförmige Bodenstabilisierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14.3.3 Teilweiser oder vollständiger Bodenaustausch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

455 456 456 456 457 458 460

15 Rutschungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.1 Ursachen von Rutschungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.1.1 Geologische Voraussetzungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.1.2 Veränderungen der Neigung oder Höhe eines Hanges bzw. einer Böschung . . . . . . . . . . . 15.1.3 Wirkung von Wasser und Klima. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.1.4 Vegetation und menschliche Eingriffe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2 Erkennungsmerkmale und Untersuchungsmethoden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2.1 Beschreibung der wichtigsten Begriffe einer Rutschung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2.2 Kartenunterlagen und -darstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2.3 Erkennen von Rutschungen und Rutschhängen im Gelände. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2.4 Lage- und höhenmäßige Aufnahme und Darstellung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2.5 Aufschlussarbeiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2.6 Lagebestimmung der Gleitfläche und Bewegungsmessungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.2.7 Altersdatierung und Bewegungsablauf. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3 Arten von Rutschungen, Klassifikation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3.1 Fallen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3.2 Kippen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3.3 Gleiten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3.4 Driften. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3.5 Fließen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3.6 Kriechen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.3.7 Komplexe Rutschungstypen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.4 Berechnungsansätze und Diskussion der Scherparameter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.5 Vorbeugende Maßnahmen und Sanierung von Rutschungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.5.1 Verbesserung bzw. Wiederherstellen des Böschungsgleichgewichts. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.5.2 Oberflächendränung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.5.3 Tiefdränung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.5.4 Stabilisierung von Hangrutschungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.5.5 Gründung von Bauwerken an rutschgefährdeten Hängen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.5.6 Risikobewertung, Überwachungs- und Warnanlagen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.6 Rutschungsanfällige Schichtenfolgen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.6.1 Grundgebirge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.6.2 Schiefergebirge und Permgebiete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.6.3 Buntsandsteingebiete. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.6.4 Grenze Röt/Muschelkalk und Mittlerer/Oberer Muschelkalk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

467 469 470 471 471 473 474 474 476 477 479 481 482 485 489 489 491 491 493 494 495 497 498 502 503 505 506 507 508 510 512 512 513 515 516

462 462 464 466

XIV

Inhaltsverzeichnis

15.6.5 Keuper . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.6.6 Jura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.6.7 Kreide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.6.8 Tertiär. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.6.9 Braunkohlentagebau- und Kippenböschungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15.6.10 Quartär. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

16

519 521 523 524 528 530

Umweltschadstoffe, geologische Barriere, Untertagedeponien, Bergbaufolgen, Methan- und Schiefergas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533

16.1 Umweltschadstoffe, Grundbelastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.1.1 Geogene und ubiquitäre Grundbelastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.1.2 Schadstoffgruppe der Kohlenwasserstoffe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2 Untergrund als geologische Barriere für nichtradioaktive Schadstoffe. . . . . . . . . . . 16.2.1 Anforderungen an Barrieregesteine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2.2 Wasserbewegung und Schadstofftransport. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2.3 Schadstoffrückhaltung (Sorption) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.2.4 Chemische Beständigkeit der Tonminerale. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3 Untertagedeponien und geologische Tiefenlager. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3.1 Untertagedeponien für chemotoxische Abfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3.2 Geologische Tiefenlager für radioaktive Abfälle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.3.3 Speicherung von CO2 oder anderen Gasen in tiefen geologischen Formationen. . . . . . . . 16.4 Bergbaufolgen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.4.1 Zuständigkeit und Unterlagen der Bergbehörden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.4.2 Bergbaubedingte Bodenbewegungen und ihre Behandlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.4.3 Folgen des tagesnahen und oberflächennahen Bergbaus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.4.4 Folgen des tiefen Bergbaus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.4.5 Großräumige bergbaubedingte Grundwasserabsenkungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.4.6 Auswirkungen des Grubenwasseranstiegs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.5 Methangasaustritte, Flözgas, Schiefergas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.5.1 Methangasaustritte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.5.2 Flözgas, Grubengas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16.5.3 Exploration auf Schiefergas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

535 535 537 538 539 541 542 545 545 545 547 552 554 554 555 560 564 564 567 571 571 572 573

17

Tunnelbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577

17.1 17.2 17.2.1 17.2.2 17.2.3 17.2.4 17.2.5 17.2.6 17.2.7 17.2.8 17.2.9 17.3 17.3.1 17.3.2

Grundbegriffe des Tunnelbaus. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579 Aufgaben und Grenzen der Erkundung, Risikomanagement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579 Erkundungsinhalte, Richtlinien. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Baugrundrisiko, Risikomanagement und Baumethodenentscheidung . . . . . . . . . . . . . . . . . Spezielle Erkundungsmethoden. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Tunnelplanung in Karstgebieten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Erkundung und Auswirkungen der Grundwassersituation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Auftreten von Gasen im Gebirge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Verwendung des Tunnelausbruchmaterials und Umweltbelastung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ermittlung geotechnischer Kennwerte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Lösbarkeit, Erweichbarkeit, Verklebungspotenzial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Gebirgsklassifizierung für konventionelle Vortriebe. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Qualitative Gebirgsklassifizierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Quantitative Gebirgsklassifizierung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

580 581 584 589 594 611 612 615 616 625 625 628

XV Inhaltsverzeichnis

17.3.3 17.3.4 17.4 17.4.1

Gebirgsverhaltenstypen und Systemverhalten nach ÖGG-Richtlinie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Darstellung und Wertung der Gebirgstypen bzw. -klassen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ingenieurgeologische Baubetreuung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Ingenieurgeologisch-geotechnische Vortriebsdokumentation bei konventionellen Vortrieben . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.4.2 Ingenieurgeologisches Nachtragsmanagement. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.5 Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.5.1 Lage, Richtung und Querschnitt des Hohlraums, Versagensmechanismen. . . . . . . . . . . . . . 17.5.2 Spannungszustand, Spannungsumlagerung, Gebirgs- und Quelldruck. . . . . . . . . . . . . . . . . 17.5.3 Geotechnische Messungen und Verformungsverhalten in Mittelgebirgstunneln . . . . . . . 17.5.4 Verbundwirkung von Gebirge und Spritzbetonausbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.5.5 Bemessungsannahmen für die Tunnelstatik. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.6 Bauweisen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.6.1 Offene und halboffene Bauweisen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.6.2 Konventioneller bergmännischer Vortrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.6.3 Teilschnittmaschinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.6.4 Tunnelvortriebsmaschinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.6.5 Rohrvortrieb und verwandte Verfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.7 Ausbrucharbeiten bei konventionellem Tunnelvortrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.7.1 Bagger und Sprengvortrieb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.7.2 Profilhaltung und Mehrausbruch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.8 Sicherungsarbeiten, Gebirgsvergütung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.8.1 Spritzbetonausbau. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.8.2 Ankersicherung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.9 Baubehelfsmaßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.9.1 Firstsicherung durch Spieße, Dielen oder Schirme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.9.2 Gebirgsvergütung durch Injektionen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17.9.3 Gebirgsvergütung und temporäre Abdichtung durch Bodenvereisung. . . . . . . . . . . . . . . . .

633 636 637 637 641 644 644 646 654 662 665 676 677 678 681 681 698 701 701 703 704 704 707 712 712 715 717

18 Talsperrengeologie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.1 Ingenieurgeologische Arbeiten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.1.1 Voruntersuchungen für die Planung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.1.2 Untersuchungen für die Bauausführung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.1.3 Mitarbeit bei Bauausführung, Probestau und Betrieb. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2 Spezielle Problemstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.1 Durchlässigkeit des Untergrundes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.2 Ermittlung der Sickerwasserverluste. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.3 Raumstellung der wasserleitenden Elemente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.4 Erosionsgefährdung durch Sickerwasserströmung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.5 Veränderlich feste oder erweichbare Gesteine. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.6 Erdbebensicherheit und induzierte Seismizität. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.7 Stauhaltung in verkarstungsfähigen Gesteinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.2.8 Stabilität der Hänge. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.3 Absperrbauwerke. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.3.1 Staumauern . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.3.2 Dämme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.4 Untergrundabdichtung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18.4.1 Horizontale Dichtungselemente. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

719 720 721 721 721 722 723 726 728 728 730 730 733 734 735 735 736 739 740

XVI

Inhaltsverzeichnis

18.4.2 Vertikale Dichtungswände . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741 18.4.3 Injektionsschleier. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741

19

Bauen in Erdfall- und Senkungsgebieten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 747

19.1 19.2

Karstterminologie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 750 Ursachen von Senkungen und Erdfällen sowie ihre hauptsächliche Verbreitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 751

19.2.1 Karbonatkarst. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2.2 Sulfatkarst. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2.3 Chloridkarst . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.2.4 Erdfälle durch Erosions- und Suffosionserscheinungen in nichtlöslichen Lockergesteinen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.3 Ingenieurgeologische Untersuchungsmethoden . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.3.1 Risikobewertung und Sicherheitskonzept. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.3.2 Geologisch-morphologische Verfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.3.3 Geophysikalische Messverfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.3.4 Geotechnische Untersuchungsverfahren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.4 Bautechnische Maßnahmen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.4.1 Schäden infolge von Schiefstellung oder Längenänderung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.4.2 Verbesserung des Untergrundes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.4.3 Konstruktive Maßnahmen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19.4.4 Frühwarneinrichtungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

751 755 765

20 Geotechnische Aspekte der Geothermie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1 Grundlagen der Geothermie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1.1 Geothermischer Gradient . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.1.2 Geothermische Erkundung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2 Geothermische Verfahren. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.1 Oberflächennahe geothermische Systeme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.2.2 Tiefe geothermische Systeme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.3 Potenzielle Risiken bei geothermischen Anlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.3.1 Geologische Gefährdungen. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.3.2 Bohrtechnisches Risiko. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.3.3 Anlagenbedingtes Risiko. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.4 Bergrechtliche und wasserrechtliche Grundlagen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.4.1 Bergrecht, Lagerstättenrecht. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20.4.2 Wasserrecht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

785 786 786 787 792 792 799 803 804 805 808 808 808 809

Serviceteil. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Anhang. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Literatur. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Stichwortverzeichnis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

811 812 832 880



771 772 773 774 775 777 778 780 781 781 783

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Einleitung 1.1

Aufgabenstellung – 2

1.2

Verbindlichkeit von Normen und Richtlinien, Baugrundrisiko – 3

1.3

Formelzeichen, Einheiten – 6

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018 H. Prinz, R. Strauß, Ingenieurgeologie, https://doi.org/10.1007/978-3-662-54710-6_1

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Kapitel 1 · Einleitung

Ingenieurgeologie ist eine komplexe interdisziplinäre Wissenschaft, die das Verhalten von Locker- und Festgesteinen einzeln und im Gebirgsverband entsprechend den genetisch bedingten Materialeigenschaften im Hinblick auf eine ganzheitliche Lösung von Ingenieur- und Umweltproblemen behandelt. Dabei handelt es sich in zunehmendem Maße um Aufgaben, die einen Integralisten mit umfassender Problemlösungskompetenz und weitreichenden naturwissenschaftlichen und technischen Kenntnissen sowie der Bereitschaft zu einer interdisziplinären Kooperation erfordern. Von einem Ingenieurgeologen moderner Prägung werden daher nicht nur fundierte Kenntnisse in den Natur- und Geowissenschaften verlangt, sondern auch Grundlagen der Boden- und Felsmechanik sowie die Fähigkeit zur Kommunikation und einer zielorientierten, qualifizierten Teamarbeit. Unter Teamarbeit wird dabei eine offene und von wechselseitigem Respekt für unterschiedliche Denkansätze geprägte Zusammenarbeit verstanden, um die verschiedenen Wissensquellen und spezifischen Ansätze zur Problemlösung von vornherein berücksichtigen zu können. 1.1 Aufgabenstellung

Die Ergebnisse ingenieurgeologischer Voruntersuchungen bilden in der Regel die Grundlage für die weitergehenden Planungs- und Ingenieurleistungen, und zwar nicht nur während der Planung und Bauausführung, sondern teilweise auch noch in der Betriebsphase (Langzeitsicherheit, Kontrollmessungen). Dabei ist es nötig, die erforderlichen Erkundungsmaßnahmen von vornherein aufgrund von Feldbeobachtungen oder Erfahrungen aus Aufgaben in vergleichbarer geologischer Situation einzugrenzen. In einer frühen Phase der Projektbearbeitung erkennt der Ingenieurgeologe am besten, auf welche geotechnischen Einzelheiten und genetischen Zusammenhänge es bei der Beurteilung des Untergrundes bzw. des Gebirges mit seinen erdgeschichtlich bedingten Problembereichen und Schwachstellen ankommt.

Darüber hinaus muss der Ingenieurgeologe immer bemüht sein, sich einen Überblick über den Stand der wissenschaftlichen Diskussion zu verschaffen, und überlegen, welche geowissenschaftlichen und geotechnischen Spezialdisziplinen zur Lösung bestimmter Probleme beitragen können. Die genannten Aufgaben erfordern von einem Ingenieurgeologen nicht nur ein lineares, dem Prinzip von Ursache und Wirkung geltendes Denken, sondern eine rationale und intuitive Denkweise entsprechend der Vernetzung und dem z. T. scheinbaren Chaos natürlicher Zusammenhänge. Der Ingenieurgeologe muss die zunächst meist unvollständigen Einzelinformationen verdichten, um logische Strukturen und geotechnische Zusammenhänge zu erkennen. Dazu gehört auch, Daten und Messergebnisse schwachstellenbewusst zu interpretieren. Treten in den Lösungsansätzen bei der Suche nach dem kausalen Zusammenhang Widersprüche auf, so muss geprüft werden, ob es sich dabei einfach um Fehler handelt, die es zu beseitigen gilt, oder um eine Chance für Neuerkenntnisse. Der Ingenieurgeologe muss sich darüber hinaus bemühen, seine Ergebnisse so in Worte zu fassen und zu quantifizieren, dass sie im Team aufgenommen und umgesetzt werden können. Die Ingenieurgeologie steht heute vor einigen Veränderungen. Dazu gehört nicht nur das Thema Georisiken, d. h. das Erfassen und Bewerten der von Naturereignissen ausgehenden Gefahren. Weitere aktuelle Arbeitsgebiete sind die Tieflagerung von gefährlichen Abfällen, Bergbaufolgen und die Geothermie. Diesen Erweiterungen wurden – aus Platzgründen – die Ausführungen über Deponietechnik und die Bewertung von Altlasten, die teilweise an Aktualität verloren haben, geopfert. Bei Anwendung von Rechenmodellen muss der Ingenieurgeologe auf eine entsprechende Realitätsnähe der Modellvorstellung achten und darauf drängen, dass diese durch baubegleitende Messungen und Rückrechnungen überprüft wird. Der enorme Zuwachs an Wissen in den gesamten Geowissenschaften und in der Geotechnik ist nur noch durch computergestützte

3 1.2 · Verbindlichkeit von Normen und Richtlinien, Baugrundrisiko

Arbeitsmethoden zu beherrschen. Mit kommerziellen Programmsystemen auf PC-Basis können zwar Auswertungen mit vertretbarem Aufwand vorgenommen und Berechnungen optimiert werden, für grundsätzliche Ideen und analytisch-naturwissenschaftliches Überdenken der Zusammenhänge ist man aber nach wie vor auf das Denkvermögen des Bearbeiters angewiesen. In unserem verzweigten Fachgebiet gibt es oft keine wissenschaftlichen Gewissheiten, sondern nur Wahrscheinlichkeiten oder Annahmen, die bei neuen Aufschlussergebnissen oder Erkenntnissen überdacht und angepasst werden müssen. Als Hilfestellung für ein solches Vorgehen wird in den einzelnen Abschnitten immer wieder auch auf die wissenschaftliche Diskussion geowissenschaftlicher Fragestellungen verwiesen. Die Anwendung solcher Hypothesen erfordert im Einzelfall ein vertiefendes Literaturstudium und ein sorgfältiges Abwägen der Zusammenhänge. Besonderer Wert muss auch auf die Kenntnis der einschlägigen Klassifikationen, Normen und Richtlinien gelegt werden, auch wenn diese inzwischen viel zu umfangreich sind und insgesamt eine deutliche Überregulierung nicht zu übersehen ist, wodurch das Erfahrungswissen zunehmend unterbewertet wird. Ingenieurmäßige Berechnungsansätze werden nur einführend und zum Verständnis der Zusammenhänge gebracht. Darüber hinaus wird auf die einschlägigen Normen verwiesen. Im Vordergrund der ingenieurgeologischen Arbeit stehen der Aufbau eines auf das Bauwerk bezogenen geologischen Modells mit dem Boden- bzw. Felsinventar (einschließlich der Parameter) sowie den genetisch bedingten geologischen Risiken und nicht die Berechnungsverfahren selbst. Da der begrenzte Umfang des Buches eine strenge Beschränkung erfordert, wird geologisches Grundlagenwissen vorausgesetzt. Ebenso wird auf Rechenbeispiele verzichtet, und auch die verschiedenen Versuche können nur im Grundsatz, nicht aber in der Versuchsdurchführung und Auswertung besprochen werden. Diese Beschränkung gilt bis zu einen gewissen

Grad auch für das inzwischen umfangreich gewordene Literaturverzeichnis. 1.2

Verbindlichkeit von Normen und Richtlinien, Baugrundrisiko

Die nationalen Normen (DIN, ÖNORM, SIA bzw. SN) sind in den letzten Jahren durch Euronormen (EC, EN) des Europäischen Komitees für Normung (CEN) bzw. durch ISO-Normen ersetzt worden. Grundgedanke der Eurocodes ist, eine europaweit einheitliche Ausgangslage für die Berechnungs- und Bemessungsnormen im Bauwesen zu erreichen. Die europäischen Einzelnormen werden als EN bzw. in Zusammenarbeit mit der Internationalen Organisation für Normung (ISO) als EN ISO bezeichnet. Den Status einer nationalen Norm erreichen die europäischen Normen durch Veröffentlichung des identischen Textes als DIN EN bzw. DIN EN ISO, wobei Definitionen oder Festlegungen aus bisherigen DIN-Normen, die keinen Eingang in die internationale Normung gefunden haben, in einen Nationalen Anhang („National Annex“, NA) ausgelagert werden. Ein Nationaler Anhang darf nur Informationen über Verfahren und Kenngrößen enthalten, die in der Euronorm eigens der nationalen Festlegung vorbehalten sind. Bei den derzeitigen Normungsaktivitäten ist es schwierig, mit dem Stand der Veröffentlichung neuer Normen und Normenentwürfe Schritt zu halten. Redaktionsschluss für den Bearbeitungsstand dieser Auflage war Ende 2016. Die grundlegende europäische GeotechnikNorm, EC 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik – Teil 1: Allgemeine Regeln, liegt in deutscher Fassung seit 2005 als DIN EN 1997-1 vor (s. Anhang). Sie stellt eine Rahmennorm dar, in der z. B. drei Nachweisverfahren für die geotechnische Bemessung zur Wahl gestellt werden. Um die Euronorm in den Mitgliedstaaten praktisch anwendbar zu machen, werden in einem Nationalen Anhang (DIN EN 1997-1/NA) die in Deutschland

1

4

1

Kapitel 1 · Einleitung

anzuwendenden Nachweisverfahren und die zugehörigen Teilsicherheitswerte festgelegt. Dazu gehört auch die DIN 1054: 2010 „Ergänzende Regelungen zu DIN EN 1997-1“, in der spezielle deutsche Erfahrungen enthalten sind, z. B. die Tabellen für die Sohldruckspannungen (7 Abschn. 6.3). Mit dem Eurocode 7-1 (DIN EN 1997-1: 2009 – die Neufassung 2014 wurde bis jetzt in Deutschland nicht bauaufsichtlich eingeführt) in Verbindung mit dem Nationalen Anhang DIN EN 1997-1/NA: 2010 und der DIN 1054: 2010 liegen jetzt für Bemessungsaufgaben in der Geotechnik drei Normen vor. Mit der DIN EN 1997-1 ist auch eine Trennung von Bemessung und Ausführung verbunden. Letztere ist jetzt in den Ausführungsnormen des Spezialtiefbaus verankert. Hier sind auch noch die nationalen Ergänzungsdokumente zu den Ausführungsnormen zu nennen, die als Vornormen DIN SPEC ergänzende Festlegungen zu den nationalen Normen enthalten. Eine ähnliche Regelung gilt für Teil 2 des EC 7 „Erkundung und Untersuchung des Baugrundes“. Das Normenwerk besteht ebenfalls aus der DIN EN 1997-2: 2010, dem Nationalen Anhang DIN EN 1997-2/NA:2010 und der DIN 4020: 2010 „Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke – Ergänzende Regelungen zu DIN EN 1997-2“. Diese drei Normen regeln Planung, Durchführung und Auswertung von Baugrunderkundungen. Im Zuge einer Überarbeitung des EC 7 ist auch ein Teil 3 „Geotechnische Bauwerke“ vorgesehen (bisher in Teil 1). Um die Anwendung dieser sehr umfangreichen Normentexte zu vereinfachen, steht das vom Deutschen Institut für Normung herausgegebene Normenhandbuch Eurocode 7 – Geotechnische Bemessung – zur Verfügung: 44Band 1: Allgemeine Regeln (2011) 44Band 2: Erkundung und Untersuchung (2011) Hinzu kommen die vier Bände des Normenhandbuchs Spezialtiefbau (2013) Verdrängungspfähle, Bohrpfähle, Mikropfähle und Verpressanker.

Zu diesen Standardnormen für die Erkundung des Baugrundes und die Bemessungsaufgaben in der Geotechnik kommt dann noch eine ganze Reihe von Einzelnormen, die in den jeweiligen Abschnitten behandelt werden. Der Verbreitung des Buches entsprechend wird auch auf einige andere europäische Geotechniknormen verwiesen, so etwa der BS (= British Standard), die DGF (= Dansk Geotechnisk Forening), die NEN (= Niederlande Norm), die NF (= Norme Française), der SS (=  Svensk Standard) und auch die ASTM (= American Standard Method). Zahlreiche französische Prüfnormen sind z. B. in Anhang C der DIN EN 17 907 (E 2016) aufgelistet. Das Baurecht ist in der Bundesrepublik Deutschland im Wesentlichen Landesrecht. Normen sind zunächst privatrechtliche, allgemein anerkannte Regeln der Technik, die durch Aufnahme in die Musterliste der Technischen Baubestimmungen und öffentliche Bekanntmachung in den einzelnen Bundesländern zu bauaufsichtlich eingeführten Technischen Regeln werden. Für öffentliche Verkehrsbauten des Bundes und der Deutschen Bundesbahn gelten die dortigen Listen der technischen Baubestimmungen. Die Festlegungen in den Normen sind in der Regel keine Richtwerte, sondern Mindestwerte. Normen werden heute nach etwa 10 Jahren überarbeitet und neu herausgegeben, um aktuelle Entwicklungen berücksichtigen zu können. Normen sind trotz des zunehmenden Umfangs und der teilweisen Überregulierung schon aus juristischen Gründen bei allen entsprechenden Arbeiten zu beachten, auch wenn nicht „eingeführte“ Normen genau genommen nur durch Verträge verbindlich werden. Besonders im Tiefbau, wo im Schadensfall die Beweisführung wesentlich schwieriger ist als im Hochbau, erhält die Beachtung von Normen durch die im sog. Baugruben-Urteil des Bundesgerichtshofs vom 19.4.1991 (V ZR 349/89) aufgestellte Beweislastumkehr zusätzliche Bedeutung. Werden bei Tiefbauarbeiten die einschlägigen Normen nicht beachtet, so spricht die „widerlegliche Vermutung“ juristisch dafür, dass die Schäden auf diese Missachtung zurückzuführen

5 1.2 · Verbindlichkeit von Normen und Richtlinien, Baugrundrisiko

sind. Der Betroffene hat dann zu beweisen, dass die Schäden nicht auf der Verletzung anerkannter Regeln der Technik beruhen. Außer den Normen gibt es noch eine Reihe weiterer privatrechtlicher technischer Regelwerke (Richtlinien, Merkblätter, Empfehlungen), die auch in der ingenieurgeologischen Praxis zu beachten sind. Außerdem sei auf weitere technische Regelwerke für das Straßenwesen, die Bauvorschriften und Richtlinien der Deutschen Bahn AG sowie die Empfehlungen der Arbeitskreise Baugruben (EAB) bzw. Ufereinfassungen (EAU) verwiesen. Bei den allgemein anerkannten Regeln der Technik handelt es sich um im Bauwesen übliche wissenschaftlich-technische Erkenntnisse und handwerkliche Erfahrungen, die generell als bekannt, richtig und notwendig zu bezeichnen sind und deren Einhaltung erwartet werden kann. Im Konfliktfall wird sich jeder Sachverständige darauf beziehen. Unter den Begriffen „Stand der Technik“ oder „Stand der Wissenschaft“ versteht man dagegen das derzeit Machbare, dessen Wirksamkeit in der praktischen Umsetzung aber noch nicht ausreichend erprobt ist. Allgemein anerkannte Regeln der Technik sind z. B.: 44Normen 44eingeführte, öffentlich-rechtliche Technische Baubestimmungen 44Merkblätter und Richtlinien 44Empfehlungen der DGGT 44Zulassungen für neue Bauverfahren 44Unfallverhütungsvorschriften Die anerkannten Regeln unterliegen einem ständigen Anpassungsprozess, woraus sich für alle am Bau Beteiligten die Notwendigkeit zur Fortund Weiterbildung ergibt. Der Baugrund gilt im juristischen Sinne als „uneinsichtig“ und muss als Vorgabe des Bauherrn beschrieben werden. Ein Baugrundgutachten bzw. der Geotechnische Bericht sind eine normengerechte sachverständige Stellungnahme, welche die Vielgestaltigkeit des Baugrundes in eine bauwerksbezogene Modellvorstellung bringen soll, mit der im Rahmen der anerkannten technischen Regeln und

einem gewissen Ermessensspielraum eine hinreichend gesicherte technische Bearbeitung einer Bauaufgabe erfolgen kann. Hinweise auf die je nach Aufgabenstellung etwas unterschiedlichen Gliederungen und Inhalte von Baugrundgutachten finden sich in DIN EN 1997-1, Abs. 3.4 und im FGSV-Merkblatt M GUB 04 (s. a. 7 Abschn. 4.1). Auch andere Gliederungen sind üblich. Das Gutachten bzw. der Bericht muss darüber hinaus erkennen lassen, welche Tatsachen zugrunde gelegt sind und aus welchen Gründen bestimmte Annahmen vom Gutachter getroffen werden. Der Ingenieurgeologe ist in der Praxis sehr oft auf solche Annahmen angewiesen, er sollte aber ihre Aussagekraft aufzeigen und allgemein verständlich darlegen (s. DIN 4020). Für die spätere Verantwortlichkeit stellt sich dabei die Frage, wieweit pauschale Hinweise, die nicht durch Bohrungen belegt bzw. ohne konkrete Lokalisierung sind, vertragsrelevant sein können. Ein Baugrundgutachten kann nicht immer sichere Aussagen über die komplexe Materie Baugrund enthalten, sondern immer nur begrenzt nachvollziehbare Wahrscheinlichkeitsaussagen (s. DIN 4020). Dem Baugrundgutachter kann wider fachliches Erwarten und zwischen normengerecht angesetzten und ausgewerteten Aufschlüssen angetroffener problematischer Baugrund nicht angelastet werden. Der Baugrund ist unverzichtbarer Bestandteil oder Träger eines Bauwerks und ist gleichzeitig ein „Baustoff “, der vom Bauherrn zur Verfügung gestellt wird. Das Baugrundrisiko, d. h. die geotechnische Tatsache des Risikos, dass der „Baustoff Baugrund“ in seiner Beschaffenheit nicht den Vorstellungen bzw. Vorgaben entspricht, liegt damit zunächst beim Bauherrn. Um dieses Risiko einzugrenzen, bestehen Gesetzesvorgaben und Vertragsvereinbarungen. Zunächst hat der Architekt als erster Vertreter des Bauherrn die Verpflichtung zur Untersuchung und Beschreibung der Baugrund- und Grundwasserverhältnisse nach den Regeln der Technik. Das Baugrundrisiko seitens des Bauherrn kommt damit nur zum Tragen, wenn trotz einer den Regeln der

1

6

1

Kapitel 1 · Einleitung

Technik entsprechenden Erkundung der Baugrundverhältnisse und trotz Erfüllung aller Prüfungs- und Hinweispflichten aller am Bau Beteiligten doch Abweichungen von den erkundeten Boden- und Grundwasserverhältnissen auftreten, die dann zu Bauschäden führen. Diese unabwendbaren Umstände gelten als Systemrisiko, das dem Auftraggeber zuzuordnen ist (s. Entachner und Fuchs 2016 und 7 Abschn. 17.4.2). Das Baugrundrisiko betrifft auch Schäden, die bei Bauarbeiten von einem Grundstück ausgehen. Kommt der Auftragnehmer seinen Hinweispflichten auf die für einen Fachmann erkennbaren Folgen der vorgegebenen Art der Bauausführung nicht nach, gilt im Schadensfall vielfach auch eine an sich ordnungsgemäße Bauleistung als mangelhaft. In den Ländern der Europäischen Union ist die Behandlung des Baugrundrisikos unterschiedlich. Die deutsche Rechtsordnung findet sich mit gewissen Ausnahmeregelungen im österreichischen Recht sowie in den Niederlanden wieder. In Ländern wie Frankreich, Spanien, Belgien und Großbritannien steht das Baugrundrisiko primär im Verantwortungsbereich des Auftragnehmers und bedarf einer vertraglichen Regelung. Die Berufsbezeichnung Sachverständiger ist in Deutschland weder rechtlich geschützt noch in Rechtsnormen präzisiert. Vorausgesetzt werden entsprechende Sachkunde durch ein Hochschulstudium, langjährige Erfahrung und Objektivität. Die „öffentlich bestellten und vereidigten Sachverständigen“ gem. § 36 GWO sind für spezielle Fachgebiete von den Industrieund Handelskammern bestellt und vereidigt. Dies betrifft auch die Teilgebiete der Geotechnik. Streng genommen darf ein vereidigter Sachverständiger als solcher kein gerichtliches Gutachten erstellen, das nicht sein Sachgebiet betrifft, für das er vereidigt ist. Um das Berufsbild eines „Sachverständigen für Geotechnik“ bzw. des entsprechenden „Fachplaners für Geotechnik“ im Sinne der DIN EN 1997, DIN 1054 und DIN 4020 zu regeln, liegt seit 2013 eine Empfehlung der DGGT vor

(geotechnik 36:1). Darin werden neben Fragen der Ausbildung auch Fragen der erforderlichen Berufserfahrung sowie der Fort- und Weiterbildung angesprochen. Das Arbeitsgebiet umfasst sowohl Fragen des Baugrundes und des Grundwassereinflusses auf Bauwerke und Infrastrukturprojekte aller Art, einschließlich möglicher Schadstoffbelastung der Böden, als auch die Sicherheit vor Naturgefahren. Zu den Aufgaben eines Sachverständigen gehören außer der Abfassung geotechnischer Berichte gem. 7 Abschn. 4.1 auch Schiedsgutachten, Bauschadensgutachten, Wertgutachten und ggf. weitere Gutachtenthemen. Bei Beweissicherungsverfahren ist zu unterscheiden zwischen gesetzlicher, d. h. gerichtlich beauftragter Beweissicherung, bei welcher der benannte Beweissicherungsgutachter gleichzeitig Gerichtsgutachter ist, und einer privatrechtlichen Beweissicherung. Dabei nimmt der Gutachter vor Beginn einer Baumaßnahme die betroffenen Gebäude in Augenschein, hält den Bestand fotografisch fest und kontrolliert und bewertet nach Abschluss der Bauarbeiten, ob Schäden aufgetreten sind, die möglicherweise im Zusammenhang mit den Arbeiten stehen. Im Streitfall wird ein privat beauftragter Beweissicherungsgutachter vom Gericht als sachverständiger Zeuge gehört werden, das Gericht kann aber auch einen zusätzlichen Gerichtsgutachter bestellen. Darauf hinzuweisen ist, dass ein Sachverständiger zu persönlicher und fristgerechter Gutachtenerstattung verpflichtet ist. 1.3

Formelzeichen, Einheiten

In der vorliegenden Auflage werden die in EN 1990:2002 vereinheitlichten Begriffe, Formelzeichen und Einheiten verwendet, die weitestgehend den internationalen SI-Einheiten entsprechen: 44Kraft in kN 44Masse in kg, t 44Moment in kNm 44Dichte in g/cm3, kg/m3, Mg/m3, t/m3

1

7 1.3 · Formelzeichen, Einheiten

. Tab. 1.1  Umrechnung aus alten Einheiten für Flächenlasten, Spannungen, Festigkeiten und Drucke (at = Atmosphäre, N = Newton, Pa = Pascal p = pond, WS = Wassersäule) Alte Einheiten

Gesetzliche Einheiten

kp/m2

Mp/m2

kp/cm2

mmWS

mWS

at, bar

N/m2 Pa

kN/m2 kPa

0,1

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10

100

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MN/m2 N/mm2 MPa

GPa

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0,1

100

10

1000

1

1000

100

10

1000

100

0,1

1000

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44Wichte in kN/m3 44Lasten, Spannung, Druck, Festigkeit und

Steifigkeit in kN/m2 (kPa), MN/m2 (MPa) 44Durchlässigkeit in m/s Außerdem werden folgende Einheiten verwendet: 44K (Kelvin) bzw. mK (Millikelvin), Maßeinheit für Temperaturdifferenzen, wobei 1 K ≙ 1°C bedeutet, allerdings mit anderem absolutem Nullpunkt 44Bq (Becquerel), Maßeinheit für die Aktivität einer radioaktiven Substanz. 1 Bq = 1 Atomzerfall pro Sekunde; 1 kBq = 1000 Bq, 1 MBq = 1 Million Bq 44Sv (Sievert), Maßeinheit für die durch ionisierende Strahlung (Alpha-, Beta-, Gamma- oder Röntgenstrahlen) verursachte Strahlenbelastung biologischer Organismen (Äquivalenzdosis). Angaben meist in mSv (Millisievert) 44Darcy (D) bzw. Millidarcy (mD), Maßeinheit für die Permeabilität von

Gesteinen: 1 Darcy = 0,98697 × 10–12 m2 (≈ 1 × 10–12 m2) 44Gon, in der Markscheiderei verwendete Einheit als 1/100 eines rechten Winkels (1 gon = 0,9°) 44J (Joule) bzw. kJ ist die Einheit für Energie, Arbeit und Wärmemenge. Arbeit: 1 J = 1 N × m (auch Fallenergie); Wärmemenge: 1 Watt = J/s Für eine gelegentlich noch erforderliche Umrechnung aus alten Einheiten und Dimensionen dient . Tab. 1.1; . Abb. 1.1 zeigt das griechische Alphabet.

. Abb. 1.1  Griechisches Alphabet

9

Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung 2.1

Definitionen, Richtlinien, Normen – 11

2.2

Korngröße, Kornverteilung – 13

2.2.1 2.2.2 2.2.3 2.2.4 2.2.5 2.2.6 2.2.7 2.2.8

Siebanalyse – 13 Sedimentationsanalyse – 13 Sieb- und Sedimentationsanalyse – 15 Darstellung und Beschreibung der Kornfraktionen – 15 Körnungen als Handelsbegriff – 17 Hydraulische Instabilität und Filter für Dränmaßnahmen – 19 Filtersande und Filterkiese für den Brunnenbau – 23 Aufbau und Eigenschaften der Tonminerale – 23

2.3

Kalkgehalt, organische und andere Beimengungen – 26

2.3.1 2.3.2 2.3.3

Kalkgehalt (VCa) – 27 Organische Bestandteile (Vgl) – 28 Schwefelverbindungen – 29

2.4

Das Dreistoffsystem Boden bzw. Fels – 29

2.4.1 Wassergehalt (w), Sättigungszahl (Sr ), Wasseraufnahmevermögen (wA) – 29 2.4.2 Korndichte (ρs), Reindichte (ρr), Feststoffdichte (ρF) – 32 2.4.3 Dichte (ρ) und Wichte (γ) – 33 2.4.4 Porenanteil (n), Porenzahl (e), Porosität (p) – 36

2.5 Lagerungsdichte (D) – 38 2.5.1 2.5.2

Lagerungsdichte nichtbindiger Lockergesteine – 38 Lagerungsdichte bindiger Lockergesteine, Proctorversuch – 38

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018 H. Prinz, R. Strauß, Ingenieurgeologie, https://doi.org/10.1007/978-3-662-54710-6_2

2

2.6

Zustandsform, Konsistenzgrenzen – 40

2.7

Verformungsverhalten, Druck- und Zugfestigkeit – 44

2.7.1 Grundlagen – 44 2.7.2 Wirkung des Wassers, Porenwasserdruck – 46 2.7.3 Spannungs-Verformungs-Beziehungen – 48 2.7.4 Bodensteifigkeit, Steifemodul (Es), Zeitsetzungsverhalten – 49 2.7.5 Verformungsmodul (Ev) und Bettungsmodul (ks) aus dem Plattendruckversuch – 55 2.7.6 California-Bearing-Ratio-Versuch (CBR-Versuch) – 57 2.7.7 Verformungsmodul (Ev) aus Bohrlochaufweitungsversuchen – 58 Diskussion der Verformungsmoduln des Gebirges – 59 2.7.8 2.7.9 Primärspannungszustand – 60 2.7.10 Druckfestigkeit, Zugfestigkeit, Sprödigkeit – 67 2.7.11 Volumenzunahme durch Quellen – 76

2.8

Scherfestigkeit – 79

2.8.1 2.8.2 2.8.3 2.8.4 2.8.5 2.8.6

Grundlagen – 79 Direkter Scherversuch mit vorgegebener Scherfläche – 81 Konsolidierte triaxiale Kompressionsversuche – 82 Undränierte Scherfestigkeit cu – 84 Großscherversuche – 86 Diskussion der Scherfestigkeitsparameter (φ, c) – 89

2.9

Durchlässigkeit – 95

2.9.1 2.9.2 2.9.3 2.9.4 2.9.5 2.9.6 2.9.7 2.9.8

Durchlässigkeit von Lockergesteinen – 95 Durchlässigkeit von Fels – 97 Laborversuche zur Ermittlung des k-Wertes – 99 Feldversuche zur Ermittlung des k-Wertes – 100 Durchlässigkeitsbeiwerte – 112 Grundwasserfließparameter – 116 Kapillarität, kapillare Steighöhe (hk), Saugspannung (s) – 118 Sickerwasser, Grundwasserneubildung – 120

11 2.1 · Definitionen, Richtlinien, Normen

2.1

Definitionen, Richtlinien, Normen

Für bautechnische Zwecke werden Festgesteine und Lockergesteine bzw. Boden und Fels unterschieden. Zwischen beiden treten, bedingt durch unterschiedliche Verwitterung oder gelegentliche Verfestigungen, zahlreiche Übergänge auf. Der Begriff „Boden“ wird hier im bautechnischen Sinn als Sammelbezeichnung für alle Lockergesteine und lockergesteinsartig verwitterte Festgesteine gebraucht. Dieser von der bodenkundlichen Begriffswelt abweichenden Definition steht heute auch noch die Definition im Sinne des „Bodenschutzes“ gegenüber. Eine ähnlich weitläufige Definition wird in den einschlägigen Normen (DIN 4020, DIN EN 1997-2) auch für den Begriff Baugrund bzw. bei Untertagebauarbeiten für das Gebirge verwendet. Baugrund ist erdgeschichtlich vorgegebener, gewachsener Boden oder Fels, einschließlich seiner Inhaltsstoffe bzw. Füllungen wie Grundwasser, Fremdbestanteile (Auffüllung) und etwaiger Kampfmittel- oder sonstiger Kontaminationen sowie auch ehemaliger Baubehelfsmittel. Nach DIN EN 1997-1 versteht man unter Baugrund „Boden, Steine und Auffüllung, die vor Beginn der Baumaßnahme vor Ort vorhanden waren“. Nach der Rechtsprechung ist Baugrund der gesamte Teil der unter der Erdoberfläche liegenden Boden- und Felsschichten, einschließlich Grundwasser und der dort befindlichen, auch nicht durch die Natur entstandenen Einschlüsse aller Art (Englert 2006). Eine Unterscheidung in Baugrund im Einflussbereich einer baulichen Anlage und (tieferen) Untergrund wird weder in den Normen noch in der Rechtsprechung getroffen. Bei der Behandlung von Festgesteinen muss streng unterschieden werden zwischen Gestein und Fels bzw. Gebirge. Das Gestein in der Größenordnung einzelner Kluftkörper besitzt ganz andere Eigenschaften als der Fels im Gebirgsverband, der von Trennflächen verschiedener Art durchsetzt ist. Fels ist i. d. R. inhomogen – d. h., er hat nicht in jedem Punkt die gleichen Eigenschaften – und in hohem Maße anisotrop, was bedeutet, dass diese Eigenschaften auch richtungsabhängig sind.

Die boden- und gesteinsphysikalischen Eigenschaften werden in weitgehend genorm-

ten Labor- oder Feldversuchen ermittelt und zahlenmäßig durch Kennzahlen ausgedrückt. Das Untersuchungsprogramm ist darauf abzustellen, dass die wesentlichen Kennwerte, die den Entwurf, die Baugrubensicherung und das Bauverfahren sowie die Kosten beeinflussen, im Baugrundgutachten angegeben werden können. Dabei werden vier Hauptgruppen von Versuchen unterschieden, nämlich: 1. Versuche zur Bestimmung und Klassifizierung der Bodenart, sog. inhärenter Parameter (nicht veränderlicher Eigenschaften): 44Korngröße, Kornverteilung 44Fließgrenze, Ausrollgrenze, Schrumpfgrenze 44Plastizitätszahl Kalkgehalt, organische und andere Beimengungen 44Tonmineralogie 2. Versuche zur Bestimmung der Zustandsform (sog. Zustandsparameter): 44Wassergehalt 44Dichte 44Porenanteil, Porenzahl, Porosität 44Lagerungsdichte, Konsistenz 3. Versuche zur Bestimmung des Verhaltens bei mechanischer Beanspruchung: 44Bodensteifigkeit (Verformbarkeit) 44Druckfestigkeit, Zugfestigkeit, Sprödigkeit 44Scherfestigkeit und 4. Versuche zur Bestimmung des Verhaltens bei hydraulischer Beanspruchung:Durchlässigkeit, Permeabilität

Nach DIN EN 1997-2 werden fünf verschiedene Arten von Bodenproben unterschieden: gestörte, ungestörte, aufgearbeitete (durchwalkte), wiederhergestellte und aufbereitete bzw. rekonsolidierte Proben (7 Abschn. 4.4.3). Die Untersuchung der Kornverteilung, der Korndichte, des Wassergehalts, der Konsistenzzahlen, des Wasseraufnahmevermögens, des Kalkgehalts und des Glühverlusts erfolgt an strukturgestörten Proben. Zur Ermittlung der Dichte, des

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12

2

Kapitel 2 · Boden- und felsmechanische Kennwerte, ihre Ermittlung und Bedeutung

Porenanteils bzw. der Porenzahl, der Verformbarkeit und der Festigkeit sowie der Durchlässigkeit sind ungestörte Bodenproben bzw. rissfreie Kernstücke erforderlich. Dabei muss man sich darüber im Klaren sein, dass es wirklich ungestörte Proben praktisch nicht geben kann. Die Proben sind von der Entnahme über den Transport bis zum Einbau in die Versuchseinrichtung unvermeidlichen Einwirkungen ausgesetzt, die ihre Struktur und auch den Wassergehalt merkbar verändern können. Weiche Böden sind sehr empfindlich gegen Erschütterungen jeder Art und weisen oft keine ausreichende Festigkeit für die Herstellung von Teilproben auf. Bei halbfesten Böden kann es sowohl bei der Entnahme als auch beim Einbau zu Auflockerungen kommen, wodurch die Ergebnisse von Festigkeitswerten zu niedrig ausfallen können. Als Indexversuche werden einfache Versuche bezeichnet, die einen ersten Anhalt über eine Boden- bzw. Felseigenschaft liefern, die aber nicht zwingend einen repräsentativen Kennwert darstellen (DIN EN 1997-2). Bei der Ermittlung der Eigenschaften und Kennwerte von Lockergesteinen sind zahlreiche Richtlinien und Normen zu beachten. Für die Durchführung der einzelnen Labor- und Feldversuche an Böden gelten die Grundsatznorm DIN EN 1997-2 sowie die Normenreihe 18 121 bis 18 137. Letztere werden zunehmend abgelöst von den europäischen Versuchsnormen der Reihe DIN EN ISO 17 892-1 bis -12, von denen bereits einige deutsche Ausgaben vorliegen. Etliche der alten 18er-Normen bleiben aber bestehen. Für Feldversuche gilt die Geräteund Ausführungsnormenreihe DIN EN ISO 22 476-1 bis -15. Für Versuche an Festgesteinen und im Fels gelten die Richtlinien des Arbeitskreises „Versuchstechnik Fels der DGGT, die Normenreihe DIN 4107 „Geotechnische Messungen“ und die Normenreihe 18 141 „Untersuchung von Gesteinsproben“. Für geotechnische Messungen zur Überwachung von Baugrund und Bauwerk gilt heute die Normenreihe DIN EN ISO 18 674 mit 10 Teilnormen. Die Loseblattsammlung „Technische Prüfvorschriften für Boden und Fels im Straßenbau“

(TP BF StB) enthält sowohl die fachbezogenen Normen als auch die Empfehlungen „Versuchstechnik Fels“ sowie darüber hinausgehende spezielle Prüfverfahren des Erdbaus (s. Anhang). Als weitere Grundlage für gesteinstechnische Versuche können die ISRM-Empfehlungen herangezogen werden. Eine tabellarische Übersicht über alle Laborversuche an Boden- und Gesteinsproben sowie auch die entsprechenden Feldversuche enthält auch DIN 4020, Beiblatt 1 (2010) . Tab. 7 bis 10. Eine umfassende Liste mit Erdstoff-Prüfnormen (EN, ISO) enthält auch die DIN EN 16 907.3 (E 2015). Laborversuche können die Bedingungen, wie sie in der Natur anzutreffen sind, in vielen Fällen, so besonders im Fels, nicht oder nur unvollständig erfassen. Die Ergebnisse von Laborversuchen sind in solchen Fällen durch entsprechende Feldversuche unter natürlichen Bedingungen oder durch großräumige 1:1-Versuche in Schächten oder Stollen zu überprüfen. Um den Erwartungen der Praxis gerecht zu werden, sind in den einzelnen Abschnitten dieses Buches nach Möglichkeit Erfahrungswerte für Kennziffern von Böden bzw. Gesteinen und Fels zusammengestellt. Solche Kennziffern sind naturgemäß im Einzelfall von lokalen Umständen und anderen Faktoren abhängig, sodass die mitgeteilten Werte nur allgemeine Gültigkeit haben und projektbezogene Einzelbestimmungen nicht ersetzen können. Eine Zusammenstellung charakteristischer Bodenkennziffern enthält auch DIN 1055-2. Die nachfolgende Beschreibung der Laborversuche kann nur im Grundsatz, nicht aber in der detaillierten Versuchsdurchführung und Auswertung erfolgen. Dafür wird auf die einschlägigen Normen und auf die Spezialliteratur verwiesen. Darüber hinaus besteht zunehmend der Trend zu einer automatischen Versuchsauswertung und Datendokumentation. Für Letztere müssen die Daten erfasst, verwaltet und in geowissenschaftlichen Projekten qualifiziert verarbeitet werden. Eine solche weiterführende Geoinformatik für geotechnische Problemstellungen bis hin zu tektonischer oder gebirgsmechanischer Modellierung bedarf möglichst guter Kenntnisse in der Informatik. Für

13 2.2 · Korngröße, Kornverteilung

die Weiterverarbeitung der Daten muss dabei auf Kompatibilität der Datensysteme geachtet werden. Derzeit befindet sich, auch im Zusammenhang mit einer stärkeren Betonung von örtlichen Erfahrungen in der Geotechniknorm DIN EN 1997-1 (2009), der Aufbau einer deutschlandweiten Kennwertdatenbank von Ergebnissen boden- und felsmechanischer Laborversuche in einer Pilotphase, die später von möglichst vielen Instituten beschickt und genutzt werden soll. Zu jedem Kennwert eines Versuchs sollen Örtlichkeit, Probenkennzeichnung, Entnahmestelle und -tiefe, Datum und das untersuchende Institut sowie Angaben zur Zuverlässigkeit der Ergebnisse angegeben werden (Schuppener et al. 2008). 2.2

Korngröße, Kornverteilung

Die Korngröße (d) und Kornverteilung sind ein Maßstab für die Einteilung und Benennung der mineralischen Lockergesteine. Der Anteil der Korngrößen wird in Prozent der Gesamttrockenmasse angegeben. Die Verfahren und Geräte zur Ermittlung der Korngrößenverteilung sind in DIN 18 123 (2011) bzw. künftig der DIN EN ISO 17 892-4, Bestimmung der Korngrößenverteilung (E 2014) festgelegt. Korngrößen von über 0,063 mm (Sand, Kies) werden durch Siebung, Korngrößen von unter 0,125 mm durch Sedimentation (Schlämmanalyse, optische Verfahren) ermittelt. 2.2.1

Probe aufgeschlämmt, anschließend werden die Feinanteile durch ein Feinsieb mit der Maschenweite 0,063 mm (oder 0,125 mm) gewaschen (Nasssiebung). Der Siebrückstand wird getrocknet und normal gesiebt; vom Siebdurchgang wird entweder nur die Trockenmasse bestimmt, oder es wird eine Sedimentationsanalyse angeschlossen. 2.2.2

Sedimentationsanalyse

Die Korngrößenverteilung der Kornanteile unter 0,125 mm wird in der Bodenmechanik nach dem Aräometerverfahren ermittelt. Das Aräometerprinzip (. Abb. 2.1) beruht darauf, dass verschieden große Körner in einer Aufschlämmung mit unterschiedlicher Geschwindigkeit absinken (Sedimentation). Der Zusammenhang zwischen Korngröße, Kornwichte und Sinkgeschwindigkeit wird durch das Gesetz von Stokes angegeben. Die Methode bringt keine Trennung nach Korngrößen, sondern nach einheitlichen Korndurchmessern. Die Korndichte wird dabei als einheitlich vorausgesetzt.

Siebanalyse

Die Probenmengen für die Siebanalyse betragen je nach geschätztem Größtkorn 100 g bis >2 kg. Bei Böden ohne oder mit nur sehr geringen Feinanteilen 10 % wird, um Fehlbestimmungen der Korngrößenverteilung durch Karbonatfällung zu vermeiden, das Probenmaterial mit 0,2 M HCl-Säure entkarbonatet. Die Bestimmung der Trockenmasse darf bei bindigen Böden nicht durch Trocknen vor dem Versuch erfolgen, sondern durch vorherige Probenteilung bzw. nach dem neuen DIN-Entwurf durch Tauchwägung. Bei Trocknungstemperaturen über 100 °C kommt es besonders bei Montmorillonit-Mixed-Layer-Tonmineralen zu einer Teilchenagglomeration, und es ist nachher kaum noch möglich, eine Dispergierung bis hin zur Primärkornverteilung zu erreichen. Man erhält einen erhöhten Schluffkornanteil >0,06 mm, wobei deutlich unzerteilte Tonaggregate zu beobachten sind. Der bei der Sedimentationsanalyse physikalisch-mechanisch bestimmte Feinstkornanteil 30

N10M

N10

N10

N10L

N10

N30

N30

* für enggestuften Sand (aus DIN 4020)

Ermittlung der undränierten Scherfestigkeit cu genutzt (Jörss 1998). Bei quantitativen Auswertungen werden jedoch projektbezogene Vergleichsuntersuchungen angeraten. Ein Einfluss des Grundwassers ist bei Drucksondierungen praktisch nicht feststellbar. Die Ergebnisse von Drucksondierungen werden wegen des Modellcharakters häufig auch zur Ermittlung des Grenzwerts für den Pfahlwiderstand bei Bohrpfählen herangezogen. 4.4.6.3 Flügelsondierungen (FVT)

Beim Flügelscherversuch werden durch Drehen eines genormten rechteckigen Flügels im Boden die undränierte Scherfestigkeit und die Sensitivität ermittelt. Die Flügelsonde besteht aus einem Stab, über den ein Torsionsmoment aufgebracht wird und an dessen unterem Ende vier Flügel angeordnet sind, mit Abmessungen von max. 100 × 200 mm und min. 40 × 80 mm, bei sehr hohen Scherfestigkeiten

auch 33 × 66 mm. Die Abmessungen und die Arbeitsweise sind nach DIN EN ISO 22 476-9 genormt. Die Art des Versuchs (Anwendungsklasse nach DIN) ist vom Untergrund abhängig (erwartetes Drehmoment). Die Flügelsonde wird abschnittsweise mit max. 0,2 m/s in den Boden eingedrückt und langsam (1–5°/s) bis zum Bruch des Bodens entlang einer zylindrischen Gleitfläche gedreht. Das beim Bruch auftretende Drehmoment wird i. d. R. an der Geländeoberfläche gemessen (sog. Push-in-Typ). Beim Downhole-Typ wird das Drehmoment unmittelbar oberhalb des Flügels bestimmt. Empfohlen wird eine automatische Messwerterfassung. Der sich aus dem Versuch ergebende max. Scherwiderstand cfv ist die Gesamtscherfestigkeit unter undränierten Bedingungen (ungestörte Scherfestigkeit). Sie entspricht der Scherfestigkeit cu des undränierten Bodens im Bruchzustand:

224

Kapitel 4 · Erkundungsmethoden

c fv =

6M max (in kN / m2 ) 7π × D 3

4.4.6.4 Seitendrucksonde (BJT)



Hierin bedeuten: Mmax,u = maximales Drehmoment (in kNm) D = Flügeldurchmesser (in m)

4

Durch mehrmaliges Drehen wird der RestScherwiderstand (Gleitfestigkeit) ermittelt (cres,fv). Aus dem Verhältnis cfv/cres,fv kann auf die Sensitivität (Sfv) eines Bodens geschlossen werden (7 Abschn. 2.7.2). Die Flügelsonde ist je nach eingesetztem Flügeldurchmesser für weiche bis steife Böden geeignet. Es lassen sich damit in Tiefenabständen von min. 0,5 m ganze Profile aufnehmen und Schwächezonen mit geringer Scherfestigkeit erkennen. Die undränierte Scherfestigkeit cu nimmt in einem normal konsolidierten Boden mit der Tiefe zu (7 Abschn. 2.8.4). Im Allgemeinen streuen jedoch die Ergebnisse von Flügelsondierungen recht stark und korrelieren häufig schlecht mit an vergleichbaren Proben durchgeführten Zylinderdruckversuchen. Für die praktische Anwendung werden daher bei Böden mit geringer Konsistenz Korrekturfaktoren (µ) angesetzt (s. DIN EN 1997-2, Anhang I). Die undränierte Scherfestigkeit ist dann cu = µ × cfv. Der Korrekturfaktor μ ist abhängig von der Fließgrenze wL und beträgt nach DIN EN ISO 22 467-0 (E 2014), Bild D.1: wL (%)

20

40

60

100

200

μ

1,3

1,0

0,85

0,7

0,5

Böden mit organischen Anteilen zeigen eine deutliche Abhängigkeit der Ergebnisse von der Drehgeschwindigkeit, die bei Handgeräten mit Kraftübertragung über Drehmomentschlüssel nur sehr schwer zu kontrollieren ist. Besser sind hier Motorsonden (Rackwitz et al. 2011). In organischen Böden mit faserigen Bestandteilen darf die Flügelsonde nicht eingesetzt werden.

Bei Seitendrucksonden wird durch Aufweitung eines zylindrischen Sondenkörpers im Bohrloch die Verformbarkeit des Untergrundes in situ gemessen. Die europaweit üblichen Seitendrucksonden (Borehole Jack Test, BJT) werden in den Teilnormen der DIN EN ISO 22 476-4 bis 8 behandelt. Die in Deutschland gängigen Sonden (7 Abschn. 2.7.7) entsprechen dem Teil 7: Seitendruckversuch. Diese sind hauptsächlich die Stuttgarter Seitendrucksonde II oder III (Ø 143 mm) bzw. die längere Interfels-Sonde IF 146 (Ø 144,5 mm). Der Einsatzbereich der Sonden (max. Verschiebungsweg 50 mm) erstreckt sich auf Lockergesteine und Fels geringer Festigkeit. Als Kennwerte werden auf der Grundlage der Elastizitätstheorie der Seitendruckmodul E BJT dem Elastizitätsmodul E gleichgesetzt (zur Umrechnung auf den Steifemodul E s 7  Abschn. 2.7.3). 4.5

Aufnahme von Aufschlüssen

4.5.1

Aufnahme von Schürfen

Die Aufnahme von Bohrungen und Schürfen erfolgt gewöhnlich nach genormten Schichtenverzeichnissen, die aber nur eine stichwortartige Beschreibung der einzelnen Schichten ermöglichen. Für die Aufnahme von Schürfen, in denen mehr Einzelheiten über den Schichtaufbau erkennbar sind als an Bohrproben, empfiehlt sich deshalb, die Aufschlussaufnahme in Abweichung von DIN EN ISO 22 475-1 in beschreibender Form vorzunehmen. Bewährt hat sich folgende Beschreibung: 44petrographische Bezeichnung, Mineralbestand, Korngrößenangabe 44Farbe, Kalkgehalt 44Verwitterungsgrad, Festigkeit (Kornbindung) 44Bodengruppe nach DIN 18 196. 44besondere Merkmale: Schichtung, Schieferung, Klüfte, besondere Strukturen

225 4.5 · Aufnahme von Aufschlüssen

44Wasserführung 44Verwitterungsbeständigkeit, Frostempfind-

lichkeit, ggf. Löslichkeit 44geologische Einstufung

Besonders in Festgesteinen ist darüber hinaus eine zeichnerische Darstellung der Schurfwände und nötigenfalls der Sohle zur Dokumentation der Lagerungsverhältnisse und des Trennflächengefüges üblich (. Abb. 4.19). In vielen Fällen ist auch eine Fotodokumentation zweckmäßig. 4.5.2

Aufnahme von Bohrungen im Lockergestein

Die Ergebnisse von Bohrungen in Lockergesteinen sind in die genormten Formblätter für Schichtenverzeichnisse (DIN EN ISO 22 475-1, Anhang B) einzutragen, die aus einem Kopfblatt (B1), dem Bohrprotokoll (B2) und dem eigentlichen Schichtenverzeichnis (B4) sowie verschiedenen weiteren Protokollen bestehen: 44B3 – Probenentnahmeprotokoll 44B5 – Verfüllprotokoll

44B6 – Protokoll über den Ausbau von

Grundwassermessstellen (Piezometer)

44B7 – Grundwassermessprotokoll

Für die Beschreibung des Bohrgutes gelten die Grundsätze der DIN 4020, der DIN EN ISO 14 688-1 und -2 sowie EN ISO 14 689-1 und ergänzend dazu auch die DIN 18 196. Von den Einzelangaben dieser Normen werden nachstehend nur die gebräuchlichen Bestimmungsmethoden wiedergegeben. Die DIN EN ISO 14 688-1 verlangt für die Beschreibung der Böden nur allgemeine Angaben der Korngröße (Haupt- und Nebenanteile), der Plastizität und des organischen Anteils sowie ergänzende Angaben über Zustandsform, sonstige Merkmale, Farbe, Geruch und die ortsübliche Benennung einschließlich der geologischen Zuordnung. Auf dieser Grundlage erfolgen die Bohrkernaufnahme und das Ausfüllen der genormten Schichtenverzeichnisse (. Abb. 4.20). Die Kurzbeschreibung des Bodens wird in Spalte 2 eingetragen. Eine der wichtigsten Angaben für die spätere bautechnische Beurteilung ist die Beschreibung der Probe in Spalte 4, nämlich die Zustandsform

. Abb. 4.19  Darstellung einer ingenieurgeologischen Schurfaufnahme (aus Heitfeld und Hesse 1982)

4

226

Kapitel 4 · Erkundungsmethoden

4

. Abb. 4.20  Von der alten DIN 4022-1 etwas abweichendes Schichtenverzeichnis für die Aufnahme von Bohrungen im Vergleich mit dem Schichtenverzeichnis nach DIN EN ISO 22475-1

bindiger Böden, die Lagerungsdichte rolliger Böden bzw. bei Fels die Festigkeit. Die Zustandsform eines bindigen Bodens kann im Feldversuch wie folgt ermittelt werden: 44Breiig ist ein Boden, der – in der geballten Faust gepresst – zwischen den Fingern durchquillt. 44Weich ist ein Boden, der sich leicht kneten lässt. 44Steif ist ein Boden, der nur schwer knetbar ist, sich aber in der Hand zu 3 mm dicken Walzen ausrollen lässt, ohne zu brechen (Ausrollversuch). 44Halbfest ist ein Boden, der beim Ausrollen zerbröckelt.

44Fest ist ein Boden, der sich nicht kneten

lässt, sondern zerbricht.

In der Schweiz wird anstelle des Knet- und Ausrollversuchs der Daumendruckversuch nach SN 670 005a verwendet. Die Lagerungsdichte rolliger Böden kann bei den wenigsten Bohrverfahren nach dem Bohrwiderstand angegeben werden. Hierzu müssen Sondierungen im Bohrloch (SPT-Sondierung) oder zusätzliche Ramm- oder Drucksondierungen vorgesehen werden (7 Abschn. 4.4.6). Hinsichtlich der weniger gebräuchlichen Feldversuche zur Bestimmung der Bodenart wie Trockenfestigkeit, Schüttelversuch, Reibe- und

227 4.5 · Aufnahme von Aufschlüssen

Schneidversuch sowie Riechversuch als Hinweis auf organische Beimengungen wird auf DIN EN ISO 14 688-1 verwiesen. Die Farbansprache (Spalte 3) erfolgt nach dem visuellen Eindruck bzw. nach Farbtafeln. Farbänderungen unter der Einwirkung von Luftsauerstoff sind zu vermerken. Bei der Aufnahme von Baugrundbohrungen ist immer auch auf Anzeichen von Kontaminationen durch Umweltschadstoffe zu achten. Anzeichen dafür sind in den Schichtenverzeichnissen zu vermerken und ggf. zu melden. Die Problematik bei der Anwendung der A-Linie nach Casagrande für die Einstufung der Böden als Tone oder Schluffe ist bereits in den

7 Abschn. 2.5 und 3.2.3 angesprochen worden.

Eine Benennung allein nach diesen rein bodenmechanischen Gesichtspunkten führt zu einer Dominanz von TL-, TM-, TA- sowie z. T. ULund UM-Böden. Um Fehleinstufungen zu vermeiden, ist es unerlässlich, die (regional)geologisch-genetische Bezeichnung mit anzugeben und auch zeichnerisch darzustellen, wie z. B. Löss, Lösslehm, Hanglehm, Auelehm, Geschiebelehm und -mergel sowie die verschiedenen Verwitterungsböden. Welche Folgen eine rein bodenmechanische Ansprache von Bohrproben nach TM- bzw. TL-Böden und eine geradlinige Verbindung von Schichtgrenzen haben können, zeigt . Abb. 4.21.

. Abb. 4.21  Schichtansprache eines Hangprofils nach rein bodenmechanischer (oben) und nach geologischer Benennung (unten) (aus FI-Rundbrief 56 nach Heise, Leipzig)

4

Kapitel 4 · Erkundungsmethoden

228

Erläuterungen zu . Abb. 4.21: Schicht Nr.

4

Geologische Benennung

Bodenmechanische Benennung

1

Auelehm

Ton [TM]

2

Flusskies

Kies, sandig [GW]

3

Terrassenlehm

Ton [TM]

4

Terrassenkies

Kies, sandig [GW]

5

Lösslehm

Ton, schluffig [TL]

6

Hochterrassenkies

Kies, sandig [GW]

7

Granitgrus

Kies, sandig, schluffig [Grus]

4.5.3

Aufnahme von Bohrungen im Fels

Für das Ausfüllen der Schichtenverzeichnisse von Bohrungen im Fels gilt ebenfalls DIN EN ISO 22 475-1. Die Formblätter bestehen aus: 44Kopfblatt, 44Bohrprotokoll mit bohrtechnischen Angaben (Maschinenparameter gem. DIN EN ISO 22 476-15:E 2014; s. a. 7 Abschn. 4.4.5), Bohrwerkzeug und -wechsel, Verrohrung, Spülung und ihre Veränderung, besondere Vorkommnisse, Bohrstillstände und ihre Ursachen), 44Schichtenverzeichnis, in dem die Beschreibung des Kernmaterials auch wieder zu kurz kommt. Bei schwer unterscheidbaren Gesteinsarten ist ggf. ein erfahrener Regionalgeologe hinzuzuziehen oder es sind petrologische Untersuchungen, nötigenfalls mittels Dünnschliffanalyse, vorzunehmen, um Fehlinterpretationen bei der Kernaufnahme zu vermeiden (Beispiele s. Deutsch 2001). Insgesamt gehören zu einer routinemäßigen Bohrkernbearbeitung: 44geologisch-petrografische Bohrkernbeschreibung, 44Angabe der Qualität des Kernmaterials, 44Ansprache und Bewertung der Trennflächen,

44fotografische Dokumentation

(Bohrkernfotos),

44Darstellung eines vorläufigen geologischen

Profils,

44Beprobung für den jeweiligen Zweck, 44evtl. Bohrkernarchivierung.

Die Beschreibung der Qualität des Kernmaterials erfolgt in Anlehnung an EN ISO 14 689-1 (mit NAD, Abschn. 3.1 ) und nach DIN EN ISO 22 475-1. Darin werden folgende Begriffe verwendet: 44Felsgütebezeichnung RQD (s. u.), 44vollständiger Kerngewinn SCR (in % der Kernlänge), 44gesamter Kerngewinn TCR (in % der Kernmarschlänge). Die Beschreibung der Kernstücke kann weiter unterteilt werden in: 44großstückig : >10 cm, 44stückig: 10-6 cm, 44kleinstückig: 6-2 cm. Darüber hinaus sind folgende Angaben über die Qualität des Kernmaterials zweckmäßig: 44Kernstücke mit vollständig erhaltener Mantelfläche, 44Kernstücke mit nur teilweise erhaltener Mantelfläche, 44Kernstücke, die nicht mehr zu einem Zylinder zusammengefügt werden können, 44Bohrklein, wie z. B. grusig, sandig oder feinkörnig (10 cm (4“), bezogen auf die Länge der Kernstrecke, aus (.  Abb. 4.23). Nachteilig ist dabei die Vernachlässigung der Kernstücke 3 mm) und der Filterleistung bestimmt. Der Abstand der Filter beträgt 2–4 m, die max. Absenktiefe etwa 7 m. In Feinböden (k > 10–4 m/s) werden Spülfilteranlagen nach dem Vakuumverfahren eingesetzt. Bei Tiefbrunnenanlagen (. Abb. 11.7) wird in jeden Brunnen eine Unterwasserpumpe eingebaut, die das Wasser über eine Brunnenleitung in die Sammelleitung drückt. Die überwiegend einstufigen und schmutzwassergeeigneten Tauchpumpen müssen der Förderleistung der einzelnen Brunnen (Fördermenge, Förderhöhe) angepasst werden. Die Pumpenleistungen betragen i. Allg. bis 50 m Förderhöhe bis zu 3000 l/min und bei 100 m bis zu 2000 l/min. Tiefbrunnen eignen sich für große Absenktiefen. Die Bohrverfahren für die Herstellung der Brunnen müssen einen schichten- und tiefengerechten Aufschluss gewährleisten, der eine Anpassung des Ausbauplans an das jeweilige Bohrprofil ermöglicht. Nach Fertigstellung der Brunnenbohrung ist die Bohrlochsohle nach Erfordernis gegen Bodeneintrieb zu sichern (Betonplombe) und das Bohrloch zu spülen. Über den Brunnenausbau ist ein Bohrbericht

394

Kapitel 11 · Wasserhaltung

. Abb. 11.8  Grundwasserabsenkung für eine Baugrube mit wasserdurchlässigem Verbau über außen liegende Absenkbrunnen (AB) und Entspannungsbrunnen (EB) in der Baugrubensohle

. Abb. 11.7  Ausbauschema eines Tiefbrunnens zur Grundwasserabsenkung, Bohrdurchmesser 600 mm, Ausbau 12“ (Firmenprospekt)

11

(Formblatt) zu fertigen. Der Abstand von Tiefbrunnen beträgt i. d. R. 15–25 m. Wenn sich zu Beginn der Wasserhaltung zeigt, dass der gewählte Brunnenabstand zu groß oder unnötigerweise zu gering geplant wurde, so ist dieser zu modifizieren (7 Abschn. 11.6). Reicht bei großflächigen Baugruben die Absenkung der außen liegenden Absenkbrunnen nicht aus, um die Baugrubensohle einschließlich Sicherheitsabstand zu entwässern, so müssen in der Baugrube zusätzlich Entspannungsbrunnen vorgesehen werden (. Abb. 11.8). Damit können sowohl die Absenktiefe als auch die Gesamtentnahmemenge deutlich reduziert werden. Liegen mehrere Grundwasserstockwerke vor, so werden mehrstöckige Brunnen als sog. Kombinationsbrunnen gebaut. Im Gravitationsbetrieb wird jedes Stockwerk mit einem angepassten Filterrohr und entsprechenden Kiesoder Sandfilter ausgebaut und der Brunnen ohne Sperrschicht mit nur einer Tauchpumpe betrieben (s. Leitner et al. 2003). Erfordert dagegen eines der Stockwerke eine Vakuumbeaufschlagung, so ist eine Zwischenabdichtung einzubringen, sodass jedes Stockwerk getrennt abgesenkt werden kann (. Abb. 11.9). Die Trennung

der einzelnen Grundwasserstockwerke muss auch bei einem späteren Rückbau der Brunnen berücksichtigt werden, damit keine hydraulischen Kurzschlüsse auftreten. Die Absenkung in den einzelnen Brunnen wird über ein Messrohr im Ringraum des Kiesfilters kontrolliert. Nach Erreichen des Absenkziels können ggf. einzelne Brunnen versuchsweise abgeschaltet werden, um die durch die Gesamtanlage erreichte Absenkung im Beharrungszustand zu halten. Wenn der Ausfall eines oder mehrerer Brunnen einen kurzfristigen Grundwasseranstieg und damit eine Gefährdung des Bauvorhabens bewirken kann, müssen sowohl die Absenkwirkung als auch die Wassermenge in entsprechenden Zeitabständen kontrolliert werden (7 Abschn. 17.2.5.5). 11.4

Grundwasserabsenkung im Vakuumverfahren

In mittel- und feinkörnigen Sanden mit leichten Schluffanteilen folgt das Wasser der Schwerkraft nur noch unzureichend. In solchen Böden mit einem Durchlässigkeitsbeiwert von 10–5 bis 10–7 m/s wird daher eine Schwerkraftabsenkung nicht nur unwirtschaftlich, sondern es lässt sich oft keine nennenswerte Absenkwirkung erzielen. In diesen Fällen muss das Vakuumverfahren eingesetzt werden, um das Wasser in die Brunnen zu ziehen. Beim Vakuumverfahren ( . Abb. 11.10 ) wird das Wasser im Boden durch einen Unterdruck von 0,3–0,5 bar in den Vakuumlanzen

395 11.4 · Grundwasserabsenkung im Vakuumverfahren

11

. Abb. 11.9  Schematische Darstellung und Arbeitsweise der verschiedenen Brunnenarten (Firmenprospekt)

. Abb. 11.10  Wirkungsweise eines VakuumFlachbrunnens

angezogen. Da die Entwässerungslanzen i. d. R. ohne einen Filterkies eingebracht werden, muss die Schlitzbreite auf den maßgebenden Korndurchmesser (je nach Fachmeinung d10, d12, d15) ausgelegt werden. Trotzdem bleiben viele Lanzen nur begrenzt funktionsfähig, sie versanden und müssen ausgetauscht werden. Der Unterdruck wirkt nur in einem Umkreis von 1–1,5 m, weshalb die Lanzen in Abständen von etwa 2 m eingespült oder in Bohrlöcher eingestellt werden. Der Unterdruck bewirkt gleichzeitig eine Stabilisierung der Baugrubenwände, sodass selbst Feinsand auf 2–3 m Höhe noch unter steiler Böschung steht. Damit sich der Unterdruck voll ausbilden kann, darf keine Falschluft in den Boden gelangen (Tonabdichtung des Brunnens und nötigenfalls Folienabdeckung der Baugrubenwand). Die erreichbare Absenktiefe beträgt 4–6 m. Bei größeren Absenktiefen ist eine Staffelabsenkung erforderlich. Da in Vakuumanlagen nicht ständig und oft nur wenig Wasser gefördert wird, müssen sie in Frostperioden vor Kälteeinwirkung geschützt

396

Kapitel 11 · Wasserhaltung

werden. Bei den geringen Wassermengen ist i. d. R. auch eine Vorausberechnung entbehrlich. Bei größeren Absenktiefen kann die Vakuumentwässerung von feinkörnigen Sand- und Schluffböden mittels Vakuumtiefbrunnen erfolgen. Sie unterscheiden sich von normalen Bohrbrunnen durch luftdichten Abschluss sowohl des Kiesfilters als auch der gesamten Brunnenanlage. Das zufließende Wasser wird durch eine gesteuerte Unterwasserpumpe gefördert. Die Brunnen können je nach Bedarf ohne oder mit Vakuum betrieben werden. Außerdem werden auch sog. Kombinationsbrunnen (Kombibrunnen) mit einem Gravitationsbrunnen im oberen Grundwasserstockwerk und einem Vakuumtiefbrunnen im unteren Grundwasserstockwerk gebaut (. Abb. 11.9). 11.5 Elektroosmotische

Entwässerung

11

Um das Wasser in schluffig-tonigen Böden zum Fließen zu bringen, wird beim Elektroosmoseverfahren (. Abb. 11.11) als zusätzliche Kraft das elektrische Potenzialgefälle zwischen zwei Elektroden genutzt. Unter der Wirkung eines elektrischen Gleichstromfeldes fließt das Wasser der als kleinkalibrigen Brunnen ausgebildeten Kathode zu und wird hier abgeschöpft. Das Verfahren funktioniert nur in sehr weichen, tonmineralhaltigen homogenen Schluff- oder Tonböden

. Abb. 11.11  Wirkungsweise einer osmotischen Entwässerung

ohne wasserführende Zwischenschichten. Die Wirkung lässt mit abnehmendem Wassergehalt stark nach. Als Anoden werden gewöhnlich Rundstähle, als Kathoden Stahlfilterrohre (Ø 1/2“) in Bohrungen verwendet. Das Verfahren ist verhältnismäßig aufwendig und hat für die Baugrubenentwässerung keine Bedeutung. Der Einsatz des Verfahrens beschränkt sich praktisch auf eine Teilentwässerung von tonigen Rutschmassen. 11.6

Berechnung einer Grundwasserabsenkung

Die Grundlage der Berechnung einer äußeren Grundwasserabsenkung mittels Bohrbrunnen

in einem bestimmten Abstand um den Baugrubenrand wird nachstehend erörtert. In der Praxis erfolgen die Berechnungen mittels üblicher DV-Programme. Eine Baugrube mit gedrungenem Grundriss wird zunächst als großer Ersatzbrunnen aufgefasst mit einem Radius A, der wie folgt ermittelt wird: A=

a ×b π

a, b  =  Längenmaße der Baugrube, zzgl. Abstand der Brunnen vom Baugrubenrand (. Abb. 11.12). Als Erstes werden die zu fordernde Absenktiefe s (. Abb. 11.5) und die benetzte Filterhöhe h' ermittelt, und zwar i. d. R. nach dem

. Abb. 11.12  Radius a des Ersatzbrunnens

397 11.6 · Berechnung einer Grundwasserabsenkung

Gefälle der Absenklinie, für das man in vielen Fällen anfänglich 1:10, im Endzustand bis 1 : 100 zugrunde legen kann. D i e R e i c hwe i te R d e r Ab s e n ku n g beträgt nach der empirischen Formel von Sichardt (1928) für den axialsymmetrischen Beharrungszustand: R = 3000 × s′ k bzw. nach Kussakin (1935): R = 575× s′ × k × H Nach Weber gilt für die instationäre Phase: Rt = 3× k ×

H×

t no

Dabei gilt: s' = Absenkung des Brunnenwasserspiegels in m (s' = H – h'), H = Höhe des Ausgangswasserspiegels ab Aquifersohle in m (. Abb. 11.5), R und s' in m, k in m/s, t = Zeit in s, no = nutzbarer Porenanteil (7 Abschn. 2.4.4). Diese empirisch entwickelten Formeln haben sich in der Praxis recht gut bewährt. Eine Grundwasserabsenkung bewirkt immer gewisse Setzungen infolge Auftriebwegfalls bzw. der dadurch bedingten Lasterhöhung (7 Abschn. 6.5.2). Die Setzungen wirken sich mittelfristig sowohl auf den Baugrubenbereich aus (hier überlagern sie sich mit den aushubbedingten Sohlhebungen, 7 Abschn. 5.5.3.3) als auch auf den Nahbereich der Baugrube. Die größten Setzungsunterschiede sind dabei im steilen Bereich der Absenkkurve von etwa R/4 bis R/3 zu erwarten. Außerdem dürfen keine hydraulischen Instabilitäten (Sand im Förderstrom) auftreten. In bebauten oder von Verkehrseinrichtungen durchzogenen Gebieten sind besonders in diesen Bereichen immer Beweissicherungsmaßnahmen zu veranlassen. Bei Erreichen stationärer Bedingungen lässt sich die Absenkung s in einem Abstand R’ zum

11

Brunnen nach einer Formel von Dupuit bzw. Thiem berechnen: s=

Q R × ln R′ 2× π ×T

Dabei gilt: s = Absenkung im Abstand R' (in m), Q = Entnahmemenge (in m³/s), T = Transmissivität des Grundwasserleiters (in m³/s) (7 Abschn. 2.9.4), R = Reichweite des Absenktrichters (in m), R' = radialer Abstand zum Brunnen (in m). Die Berechnung der Wassermenge bzw. des Grundwasserzuflusses in die Baugrube erfolgt für vollkommene Brunnen nach der Formel für Einzelbrunnen von Dupuit bzw. Thiem (7 Abschn. 2.9.4.1) Q=

π × k ( H 2 − h2 ) ln R − ln A

in m3 / s,



wobei Q = Fördermenge (sonstige Bezeichnungen, . Abb. 11.5). Bei langgestreckten Baugruben ist A = L/3, wobei L die Länge der Baugrube ist. Bei Baugruben mit A/R > 0,5 wird bei Herth und Arndts (1994) empfohlen, mit Q = k × π × H 2 − h2 ×2× A + 0, 25 (  0)   R zu rechnen. Diese Wassermenge muss nun über eine festzulegende Anzahl von Brunnen (n) in den Baugrubenabmessungen angepassten Abständen abgeführt werden. Die Berechnung des Fassungsvermögens q´ eines Einzelbrunnens erfolgt nach der ebenfalls empirischen Gleichung von Sichardt (1928): k in m3 / s q′ = 2× π × r × h′ × 15 r   =  Brunnenradius, Filtermantel (in m) h´ =  benetzte Filterhöhe im Brunnen (in m) 2 π r h' =  benetzte Filterfläche (in m) q´ =  Entnahmemenge (in m3/s)

398

11

Kapitel 11 · Wasserhaltung

Das Produkt n × q' soll mindestens gleich groß, aber nur wenig größer als Q sein. Als rechnerischer Brunnenradius r wird bei Ummantelung des Brunnens mit genormtem Filterkies (z. B. 2–8 mm) der Radius der Bohrung, bei anderem Material häufig der Abstand Brunnenmittelpunkt/Mitte Filterschicht angenommen. Über die Mehrbrunnenformel von Forchenheimer ist dann noch zu prüfen, ob die gewählte Brunnenzahl und Brunnenanordnung ausreichen, um den Grundwasserspiegel in Baugrubenmitte auf die nötige Absenktiefe s abzusenken. Zur Planung und Dimensionierung einer Wasserhaltungsmaßnahme für langgestreckte Baugruben eines Linienbauwerks 7 Abschn. 17.2.5.5. Die Näherungsformel von Dupuit bzw. Thiem gilt nur für vollkommene Brunnen. Für unvollkommene Brunnen wird in der Literatur auf die so errechneten Wassermengen ein Zuschlag von 10–30 % gegeben. Bei Vorhandensein stärker durchlässiger Schichten unterhalb der Brunnensohle ist ein solcher Zuschlag zu gering. Nendza und Gabener (1979: 23) empfehlen, anstelle eines Zuschlags die theoretische Berechnungshöhe H nicht nur bis Brunnensohle, sondern bis zur Grundwassersohlschicht, maximal jedoch 1,6 × H anzusetzen. Die bei einer Spülfilter- bzw. Vakuumabsenkung anfallenden Wassermengen liegen insgesamt wesentlich niedriger. Mertzenich (1994) bringt eine Auswertung, nach welcher der Wasseranfall einer Vakuumanlage überschlägig ermittelt werden kann. Die Berechnung der bei einer Grundwasserhaltung anfallenden Wassermengen und auch der Reichweite sind mit großen Unsicherheiten behaftet. Dies liegt zunächst schon in dem üblichen Berechnungsansatz homogen-isotroper Gebirgsverhältnisse und den wissenschaftlich nicht nachprüfbaren und daher umstrittenen Formeln von Sichardt. Dazu kommt dann die ungenaue Kenntnis des Durchlässigkeitsbeiwerts k. Im Laborversuch ermittelte k-Werte können immer nur einen groben Anhalt geben und sollten nicht pauschal der Dimensionierung einer Grundwasserabsenkung zugrunde gelegt werden. Wirklichkeitsnahe Ergebnisse über

die Durchlässigkeitsverteilung eines Bodens können i. d. R. nur mithilfe von Probeabsenkungen an Ort und Stelle gewonnen werden. Die Brunnen für die Probeabsenkung können nachher für die bauzeitliche Wasserhaltung herangezogen werden (s. Mühlenkamp et al. 2010). Bessere Berechnungsergebnisse sind durch aufwendigere numerische Verfahren zu erzielen. Wurde keine Probeabsenkung vorgenommen, so kann in dem zuerst fertiggestellten Brunnen einer Grundwasserabsenkungsanlage sofort ein Pumpversuch durchgeführt werden, um die getroffenen Annahmen zu überprüfen und etwaige Änderungen rechtzeitig veranlassen zu können. Die Auswertung kann in einfachen Fällen über die o. g. Formel des Fassungsvermögens q' (Brunnenergiebigkeit) erfolgen, aufgelöst nach k: k=

15× q' in m / s 2× π × h'

Weitere Näherungsformeln 7 Abschn. 2.9.4. Auch bei Ermittlung der k-Werte durch eine Probeabsenkung stecken in den Berechnungsergebnissen einer Grundwasserhaltung immer noch zahlreiche Fehlerquellen, welche die maßgebenden Größen wesentlich beeinflussen können. Die in vielen Gebirgsarten anzutreffenden wechselhaften hydraulischen Eigenschaften lassen sich manchmal auch nicht über eine Probeabsenkung mit Einzelbrunnen ermitteln, sondern erfordern einen anfänglich stufenweisen Probebetrieb und einen flexiblen Betriebsablauf (Mühlenkamp et al. 2010). Erhebliche Wassermengen sind vor allem in Baugruben zu erwarten, deren Absenkbrunnen im tieferen Teil deutlich stärker wasserwegsame Schichten angeschnitten haben. Eine Talfüllung ist fast immer mit stärker und weniger stark durchlässigen Zwischenschichten und anderen Störfaktoren durchsetzt. Reicht z. B. ein Brunnen in eine sandarme, stärker durchlässige Kiesschicht, so kann seine Fördermenge um mehrere hundert Prozent von den ermittelten Durchschnittswerten abweichen. Ein solches Vorhandensein stärker durchlässiger Schichten im Basisbereich wird auch den Verlauf der Absenkkurve

399 11.7 · Grundwasserkommunikationsanlagen

11

. Abb. 11.13  Beeinflussung der Grundwasserabsenkung durch eine stärker durchlässige Sicht im Basisbereich (aus Nendza und Gabener 1979)

maßgeblich verändern ( . Abb. 11.13 ). Die Genauigkeit der Berechnung von Wasserhaltungsmaßnahmen darf daher nicht überschätzt werden. In vielen Fällen scheinen Grenzwert-Vergleichsrechnungen noch die sicherste Methode zu sein, wobei eine Angabe von 10–3 oder 10–2 m/s eine Vergrößerung der Wassermenge um den Faktor 10 bedeutet. Der Absenktrichter, der anfänglich eng begrenzt ist, wird mit zunehmender Dauer immer flacher, wobei gleichzeitig die Wassermenge zurückgeht. Der zunächst instationäre Fall geht schließlich in einen stationären Zustand über, bei dem der Absenktrichter die Reichweite R erreicht hat und bei dem dann auch eine gleichbleibende Wassermenge anfällt (. Abb. 17.15). Die Zeitdauer dieser Anlaufphase einer Grundwasserabsenkung ist sehr unterschiedlich und hängt von der anfänglichen Fördermenge ab. Die Anzahl der Brunnen und die Pumpenleistung werden zunächst auf den stationären Zustand bemessen, zuzüglich einer entsprechenden Sicherheit für Unwägbarkeiten im Baugrund und für die Mehrbelastung in der Anlaufphase. Dieser Sicherheitszuschlag liegt allgemein bei 50 bis z. T. über 100 %. Der tatsächliche Aufwand einer Wasserhaltung lässt sich auch damit von vornherein sehr schwer festlegen. Dadurch tritt zwangsläufig das Problem der Massenmehrung bzw. -minderung gegenüber der Ausschreibung auf, das im Bauvertrag geregelt werden muss. Dieselben Unsicherheiten treten auch bei Versickerungsbrunnen auf. Erfahrungen

haben gezeigt, dass die nach Thiem bzw. Dupuit berechnete Anzahl benötigter Sickerbrunnen meist nicht ausreichend ist. Dies liegt einerseits daran, dass Sickerbrunnen wegen des hydraulischen Widerstands in einem wasserführenden Aquifer eine geringere Leistungsfähigkeit aufweisen als Entnahmebrunnen und andererseits, dass sich um die Sickerbrunnen herum ein künstlicher Grundwasserberg aufbaut, der die Versickerungsleistung weiter vermindert. Das Schluckvermögen eines Infiltrationsbrunnens sollte daher ggf. im Rahmen eines Testlaufs vorab ermittelt werden. Bei größeren Maßnahmen bildet sich im Bereich des Wassereintrags eine unterirdische künstliche Wasserscheide aus, welche die Richtung und die Menge des Grundwasserabstroms maßgeblich beeinflusst. In sauerstoffarmen, reduzierten Grundwässern kann die Einleitung von sauerstoffreichem Wasser eine Oxidation von Pyrit (FeS2) bzw. Markasit (FeS 2 ) bewirken, wodurch gelöstes zweiwertiges Eisen oxidiert und als Eisen-III-Hydrat (Ocker; FeO(OH)) ausfällt (7  Abschn. 2.3.3 und 10.2). Der Vorgang kann eine Verockerung der Filterkiesschüttung bewirken (7 Abschn. 17.2.5.5). 11.7 Grundwasserkommunika-

tionsanlagen

Lang gestreckte unterirdische Bauwerke, die in die Grundwasseroberfläche eintauchen und quer oder schräg zur Strömungsrichtung

400

Kapitel 11 · Wasserhaltung

. Abb. 11.14  Verhalten des Grundwasserspiegels bei langen Bauwerken quer zur Grundwasserströmung und Prinzip einer Grundwasserdükerung (aus Hailer und Hofmann 1995)

verlaufen, stellen eine Barriere für die natürliche Grundwasserströmung dar. In der Regel staut der Grundwasserspiegel anstromseitig auf und sinkt abstromseitig ab (. Abb. 11.14). Die Spiegeldifferenz Δh beträgt im Regelfall etwa 2i · B (i = Grundwassergefälle, B = Baugrubenbreite), die Reichweite oberstrom bis zu R ≈ 1000× s × k .

11

Bei schwierigen Verhältnissen sind genauere Aussagen nur über numerische Grundwassermodelle zu erhalten (Glitsch und Spang 2009). Als Sperre im Grundwasserstrom kann sowohl das Bauwerk selbst als auch der Baugrubenverbau wirken. Ein solcher Aufstau an Bauwerken sowie auch die Umleitung eines Grundwasserstroms sind genehmigungspflichtig. Als zulässiges Bewertungskriterium wird häufig eine Aufstauhöhe am Bauwerk von max. 0,1 m angenommen. Darüber hinaus sind Ausgleichsmaßnahmen zur Grundwasserkommunikation (Düker) vorzusehen. Um den Grundwasserquerstrom so wenig wie möglich zu behindern, müssen nach Möglichkeit Verbauarten eingesetzt werden, die nach Beendigung der Maßnahme wieder entfernt werden können. Bauzeitlich kann auf der Anstromseite Grundwasser über Vertikalbrunnen abgepumpt und auf der Abstromseite wieder versickert werden. Als aktive Maßnahme können verschiedene Typen von Grundwasserkommunikationsanlagen (GWK-Anlagen) vorgesehen werden (Glitsch und Spang 2009). Sofern ein Arbeitsraum zur Verfügung steht, kann als einfache Grundwasserdükerung der seitliche Arbeitsraum mit Kiessand verfüllt und

das anfallende Wasser im Sohlbereich bzw. über dem Bauwerk mit Dränleitungen zum unterstromigen Bauwerksrand geleitet werden, wo es wieder an den Grundwasserleiter abgegeben wird. Andernfalls sind technisch ausgereiftere Lösungen zur Grundwasserdükerung erforderlich, z. B. seitliche Brunnenschächte (Spang et al. 2007). Für die Bemessung einer Dükeranlage sind die Ausbildung und Mächtigkeit des Grundwasserleiters, die Durchlässigkeitsbeiwerte, der Wasserchemismus, das Gefälle der Grundwasseroberfläche und die Grundwasserfließrichtung sowie die Eintauchtiefe des Bauwerks (Verbauungsverhältnis) anzugeben. Dazu sind ein flächiges Aufschluss- bzw. Messstellennetz und eine vorab ausreichend lange Grundwasserbeobachtung erforderlich. Problematisch ist dabei immer die Angabe des für die Grundwasserversickerung maßgebenden vertikalen Durchlässigkeitsbeiwerts k v, der i. Allg. mit kv = 0,25 k angenommen wird (Rückert 1994). Für die Bemessung ist die Wassermenge zu ermitteln, die zu fassen, überzuleiten und wieder zu versickern ist, um den Aufstau auf 0,1 m zu begrenzen. Das Messstellennetz zur Erkundung dient nach dem Bau gleichzeitig zur Kontrolle der Wiederherstellung der großräumigen Grundwasserströmungsverhältnisse. Im Nahbereich der Tiefbauwerke sind dabei gewisse systembedingte Veränderungen der Grundwasserströmung mehr oder weniger unvermeidbar. Ein weiteres Problem ist die Gefahr von Verockerung, Verschleimung oder Versinterung einer GWK-Anlage infolge des Wasserchemismus (7 Abschn. 9.2 und Glitsch und Spang 2009).

401

Erdarbeiten 12.1

Gewinnung und Förderung – 403

12.2

Einbau und Verdichtung – 406

12.2.1 12.2.2 12.2.3 12.2.4 12.2.5 12.2.6 12.2.7

Verdichtbarkeit der Boden- und Felsarten – 407 Verdichtungsgeräte – 409 Verdichtungsanforderungen nach ZTVE und RiL 836 – 410 Verdichtungskontrollen – 412 Dammaufstandsfläche und Dammschultern – 415 Hinterfüllen und Überschütten von Bauwerken – 415 Erdbaumaßnahmen in Wasserschutzgebieten – 416

12.3

Bodenverbesserung und Bodenverfestigung – 417

12.3.1 12.3.2 12.3.3

Bodenverbesserung mit Kalk – 418 Bodenverfestigung mit Zement – 419 Bodenverbesserung und Bodenverfestigung mit Mischbindemitteln – 419 Verbesserung der Tragfähigkeit und der hydraulischen Stabilität durch Geokunststoffe – 420

12.3.4

12.4

Frostwirkung – 423

12.4.1 12.4.2 12.4.3

Frostempfindlichkeit von Erdstoffen und Fels – 423 Tragschicht und Frostschutzschicht im Straßenbau – 425 Bettung, Frostschutz- und Planumschutzschicht bei Gleisanlagen – 426

12.5

Verwertung von Bodenaushub und Bauschutt – 427

12.5.1 12.5.2 12.5.3 12.5.4

Verwertungsgebot, Abfallarten – 427 Klassifikation und Dokumentation der Abfälle – 429 Untersuchungsumfang, Probennahme – 429 Anforderungen an die Verwertung – 431

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018 H. Prinz, R. Strauß, Ingenieurgeologie, https://doi.org/10.1007/978-3-662-54710-6_12

12

402

12

Kapitel 12 · Erdarbeiten

Erdarbeiten umfassen Arbeiten für den Verkehrswegebau (Straßen- und Eisenbahnbau, Rollfelder), Wasserbau, sonstige Tiefbauarbeiten, Landschaftsgestaltung und Verfüllung von Tagebaugruben. Für den Bau von Verkehrswegen gelten in der Bundesrepublik Deutschland zahlreiche Merkblätter und Richtlinien, die bei der ingenieurgeologischen Beratung zu beachten sind (s. Anhang). Dies beginnt schon mit der Terminologie für den Straßenbau (. Abb. 12.1). Der Oberbau umfasst die Fahrbahndecke und die Tragschichten (7 Abschn. 12.4.2). Das Planum ist die Oberfläche des Unterbaus (Dammkörper) bzw. des Untergrundes. Der Untergrund ist der anstehende Boden im Einschnittsplanum oder an der Dammaufstandsfläche. Ähnliche Begriffe gibt es auch bei der Deutschen Bahn AG mit der Richtlinie für Erdbauwerke RiL 836 (1999/2008), . Abb. 12.6. Ein Erdbauwerk (Erddamm) kann entweder homogen aufgebaut oder in verschiedene Zonen aufgeteilt sein. Die Erddammzonen sind: 44Krone (einschließlich Deckschicht und Oberbau), 44Kern, 44Schultern, 44Sohle (Dammbasis, ggf. kapillarbrechende Schicht), 44Aufstandsfläche. Für Erdarbeiten gelten die DIN 18 300 der VOB, Teil C, und, sofern sie Bestandteil des Bauvertrags sind, die „Zusätzlichen Technischen

Vorschriften und Richtlinien für Erdarbeiten im Straßenbau“ (ZTVE-StB 17) bzw. die RiL 836. Für Erdarbeiten im Wasserbau ist auf die „Zusätzlichen Technischen Vertragsbedingungen-Wasserbau“ (ZTV-W) hinzuweisen. Weitere spezielle Vorschriften für Erdarbeiten im Straßenbau s. Anlage 5.4. Sobald die neue DIN 18 300:2015 im Straßenbau eingeführt ist, werden die bisherigen Boden- und Felsklassen durch Homogenbereiche gem. 7 Abschn. 3.3.2 abgelöst. Zwischenzeitig liegen auch erste Entwürfe einer europäischen Normenreihe für Erdarbeiten vor, die DIN EN 16 907: 44Teil 1 enthält allgemeine Grundsätze und Regeln und im Anhang einen Überblick über die Vorgehensweisen in einigen europäischen Nachbarstaaten. 44Teil 2 des Normenentwurfs behandelt die Materialklassifizierung im Erdbau auf der Basis der DIN 18300:2015. Die Klassifizierung erfolgt ebenfalls in zwei Schritten: 44Beschreibung von Boden und Fels an Ort und Stelle nach Geologie sowie visuellen und manuellen Techniken und erste Einstufung in Homogenbereiche. 44Klassifizierung von Boden und Fels für Zwecke des Erdbaus (Aushub, Transport, Behandlung, Auftrag, Verdichtung, Langzeiteigenschaften) nach Erfahrung und Labortests sowie erdbautechnische Einstufung anhand vorgegebener Tabellen für die einzelnen

. Abb. 12.1  Begriffe für den Aufbau einer Straße in Betonbauweise (aus ZTVT-StB 09)

403 12.1 · Gewinnung und Förderung

Boden- und Felsarten in Gruppen mit einer Vielzahl z. T. neuer Gruppensymbole und Kennbuchstabenkombinationen (z. B. Es, C, V3 für festen Fels oder RW, XC, V2 für brüchigen Fels, stark geklüftet, aufgelockert). Die künftige Normenreihe DIN EN 26 907 weist derzeit folgende Teilnormen auf: 44Teil 1: Grundsätze und allgemeine Regeln (E 2016), 44Teil 2: Materialklassifizierung (E 2015), 44Teil 3: Ausführung von Erdarbeiten, 44Teil 4: Bodenbehandlung mit Kalk und/ oder hydraulischen Bindemitteln, 44Teil 5: Qualitätskontrolle und Überwachung, 44Teil 6: Landgewinnung mit nassgebaggertem Auffüllmaterial, 44Teil 7: Hydraulische Einbringung von mineralischen Abfällen, Die Einführung dieser Normen in Deutschland bleibt abzuwarten. Die Ausführung von Erdarbeiten umfasst alle fünf klassischen Arbeitsvorgänge im Erdbau, nämlich Lösen, Laden, Fördern, Einbauen und Verdichten von Boden und Fels bzw. von sonstigen erdbautechnisch geeigneten Ersatzbaustoffen. Die Wahl des Bauverfahrens sowie der Einsatz der Baugeräte gehört nach DIN 18 300, wenn in der Leistungsbeschreibung nichts anderes vorgeschrieben ist, zur Verantwortung des Auftragnehmers. Allerdings dürfen die Eigenschaften des Baugrunds durch die Arbeitsvorgänge nicht nachteilig verändert werden. 12.1

Gewinnung und Förderung

Bodengewinnung und -transport sind in erster Linie eine Frage des rationellen Baumaschineneinsatzes, wobei die Gelände- und Grundwasserverhältnisse, die Boden- und Felseigenschaften sowie die Witterungsverhältnisse während der Bauzeit (Befahrbarkeit) zu berücksichtigen sind (s. Floss 2011 und Eymer et al. 2005). Bei größeren Erdarbeiten für Verkehrswege ist man immer bemüht, einen Massenausgleich

12

zu erreichen, d. h. bei einer wirtschaftlich vertretbaren Förderweglänge alle in den Einschnitten anfallenden brauchbaren Massen in Dammabschnitte wieder einzubauen. Ist dies nicht der Fall, müssen neben unbrauchbaren Böden auch brauchbare Überschussmassen deponiert werden, oder es muss Material aus Seitenentnahmen zugefahren werden, um Fehlmassen auszugleichen (zur Erkundung von möglichen Seitenentnahmen s. DIN 4020, Anhang D). Das Aufsuchen von möglichen Seitenentnahmen hängt sehr von der geologischen Situation ab. Benötigt wird bei möglichst kurzen Transportwegen leicht gewinn- und gut verdichtbares, möglichst wasserbeständiges Material, das auch als Bodenaustauschmaterial im Grundwasserbereich verwendet werden kann (s. FGSV-Merkblatt M GUB 04). Verwendungsfähiger unbelasteter Erdaushub soll immer einer erdbautechnischen Verwendung zugeführt werden. Soweit dies nicht unmittelbar möglich ist, muss er auf sog. Zwischendeponien für eine spätere Verwendung zwischengelagert werden. Beim Massenausgleich muss der Auflockerungsfaktor der Boden- und Felsarten berücksichtigt werden, wobei die Auflockerung nach dem Lösen für das Fördern, die bleibende Auflockerung nach dem Einbau dagegen für den Massenausgleich gilt (. Tab. 12.1). Zu beachten ist, dass bei den heutigen Verdichtungsanforderungen häufig ein negativer Auflockerungsfaktor (–) auftritt, und zwar z. T. auch bei leichten Felsarten wie Mergelstein oder Tonstein. Bei den Mengenangaben für Erdarbeiten sind außerdem sowohl mögliche Setzungen des Untergrundes unter der Dammlast und Eigensetzungen des Erdbauwerks als auch die mit fortschreitendem Aushub tieferer Einschnitte auftretenden Entlastungshebungen zu berücksichtigen, die in tonigen Böden von Quellhebungen begleitet sein können. Diese Hebungen können einige Zentimeter betragen und über einen Zeitraum von mehreren Monaten bis einigen Jahren anhalten (7 Abschn. 5.5.3.3). Das Lösen von Boden und Fels wird i. d. R. nach DIN 18 300 ausgeschrieben und abgerechnet. Beide sind so zu lösen und zu fördern, dass

Kapitel 12 · Erdarbeiten

404

. Tab. 12.1  Anhaltswerte für die Auflockerung und Überverdichtung von Boden- und Felsarten Bodenarten

Auflockerung in % nach dem Lösen

Bleibende Auflockerung (+)/ Überverdichtung (–) in % nach dem Einbau

Grobschluff

5 bis 20

–5 bis –25

Lehm

15 bis 25

–5 bis –15

Ton

20 bis 30

+2 bis –10

Sand

15 bis 25

–5 bis –15

Kies

25 bis 30

+8 bis 0

Kies-Sand-Gemische

20 bis 25

–5 bis –15

Steinige Böden mit Feinkorn 50 MN/m2 (i. d. R. Sprengfels), 44mittelfester bis brüchiger Fels qu < 50 MN/m2 (Meißeln, Reißen, Baggern). Ein Hilfsmittel zur Einstufung von Fels hinsichtlich des Lösens sind refraktionsseismische Messungen, die den durch Verwitterung und Zerklüftung bedingten Auflockerungsgrad des Gebirges recht gut anzeigen (7 Abschn. 4.3.2.1). Die obere Grenze der Wellengeschwindigkeit für Reißbarkeit liegt bei 2000–2500 m/s (. Abb. 12.2). Die DIN EN 16 907-2 (E 2015) enthält außerdem einen Vergleich P-Wellengeschwindigkeit/Kluftabstände (dort. Tab. 5). Die Einstufung der Boden- und Felsklassen nach DIN 18 300 ist unabhängig davon, ob das Lösen noch mittels Bagger bzw. durch Reißen oder Aufmeißeln möglich ist oder ob Sprengen vorzusehen ist. Das Sprengen von Fels erfordert entsprechende Erfahrung und auch Kenntnis der Gebirgseigenschaften, um die Auswahl des

405 12.1 · Gewinnung und Förderung

12

. Abb. 12.2  Reißbarkeit verschiedener Felsarten mit einer schweren Raupe mit Reißzahn (Cat. D 9) in Abhängigkeit von der Wellengeschwindigkeit bei Refraktionsseismik (nach Floss 1997)

Sprengstoffs treffen zu können (s. a. Müller und Pipping 2011). Darüber hinaus müssen das Bohrlochraster (Vorgabe und Bohrlochabstand), der Bohrlochdurchmesser und die Ausladung des Bohrlochvolumens sowie die Zündfolge festgelegt werden, um eine gute Haufwerksstückigkeit zu erreichen. Für die Festlegung des Bohrlochrasters und des einzusetzenden Sprengstoffvolumens muss außerdem das Trennflächengefüge (Raumstellung und mittlere Abstände der Kluftscharen, Öffnungsweite bzw. Trennflächenfüllungen) berücksichtigt werden. Die zertrümmernde Wirkung der Druckwelle reicht nicht weit (300–900

Sammelstraße Fußgängerzone mit Ladeverkehr

IV

>60–300

Anliegerstraße Fußgängerzone

V

>10–60

Anliegerstraße befahrbarer Wohnweg

VI

≥10

Böden steht jedoch der Verformungsmodul in keinem direkten Zusammenhang zum Verdichtungsgrad DPr, weil er nicht nur von der Trockendichte ρd, sondern zusätzlich vom Wassergehalt beeinflusst wird. Plattendruckversuche sollen daher nur bei grob- und gemischtkörnigen Böden eingesetzt werden. Das Planum ist profilgerecht, eben und tragfähig herzustellen. Vor dem Einbau der Oberbauschichten (7 Abschn. 12.4.2) müssen bei frostsicherem Untergrund bzw. Unterbau auf dem Planum, je nach Bauklasse (. Tab. 12.3) folgende Verdichtungswerte (Verformungsmodul) erfüllt sein: 44Bauklasse I–IV: Ev2 120 (100) MN/m2 bzw. Evd 65 (50) MN/m2 44Bauklasse V–VI: Ev2 100 (80) MN/m2 bzw. Evd 50 (40) MN/m2

Ev 2 = 45 MN / m2

Der Verformungsmodul Ev2 wird mit dem statischen, der Evd mit dem dynamischen Plattendruckversuch ermittelt. Die Klammerwerte gelten für den Fall, dass die erstgenannten Anforderungen nur durch das Verdichten der darüber einzubauenden untersten Tragschicht erreicht werden können (ZTVE-StB 09, 4.5.2). Bei frostempfindlichem Untergrund bzw. Unterbau ist auf dem Planum ein Verformungsmodul von min.

erforderlich. Lässt sich dieser Verformungsmodul nicht erreichen, so ist der Untergrund bzw. Unterbau zu verbessern (auch Bodenaustausch) oder zu verfestigen bzw. die Dicke der ungebundenen Tragschichten zu vergrößern. Die Dicke eines erforderlichen Bodenaustauschs beträgt je nach Tragfähigkeit des Erdplanums und der Qualität des eingesetzten Materials 0,4–0,9 m (Köhler et al. 1998). Die Wirkung eines Bodenaustauschs kann durch Verlegen eines Geokunststoffvlieses an der Basis verbessert werden (7 Abschn. 12.3.4). Nach Durchführung einer qualifizierten Bodenverbesserung (7 Abschn. 12.3.3) ist bei frostempfindlichem Untergrund bzw. Unterbau ein Verformungsmodul von Ev2 = 70 MN / m2 nachzuweisen. Vergleichbare Anforderungen an die Verdichtung enthalten auch die Erdbaurichtlinien der DB AG, die RiL 836 (2002), „Erdbauwerke planen, bauen und instand halten“ (. Abb. 12.4). Im Bahnbau wird der Übergang zum Untergrund (Erdplanum) auch als Fahrweggründung

Kapitel 12 · Erdarbeiten

412

. Abb. 12.4  Mindestanforderungen an die Verdichtung gemischt- und feinkörniger Bodenarten nach RiL 836

12

bezeichnet, in der die Lasten aus dem Bahnkörper und dem Verkehr in den Untergrund eingeleitet werden. Im Rahmen der Vorerkundung kann die Angabe der Tragfähigkeit des Erdplanums nicht auf der Grundlage von Plattendruckversuchen vorgenommen werden, sondern nur über einen Vergleich der aus Schurf- oder Bohrproben ermittelten Trockendichten des anstehenden Bodens mit den entsprechenden Proctorwerten. Köhler et al. (1998) bieten für die üblichen Lehmböden (Aue-, Löss-, Hanglehm) Diagramme für die Abhängigkeit von Plastizität und Wassergehalt zum Verformungsmodul Ev2 sowie Formeln für die rechnerische Ermittlung des Ev2-Moduls aus dem Steifemodul Es (. Tab 2.8). Als Erfahrungswert gilt: Ev2 ≈ 0, 9 −1, 0 × Es. Floss (2011) gibt für feinkörnige Böden außerdem folgende näherungsweise Zuordnung: Ev2 [MN/m2]

Ic

>15

>0,8

>20

>0,9

>30

>1,0

>45

>1,2

Im Einflussbereich der Witterung bzw. des Grundwassers ist bei bindigen Böden eine Konsistenz >1,0 selten gegeben. Ev2-Moduln von

>45 MN/m2 lassen sich daher meist nur mittels Bodenverbesserung erreichen (7 Abschn. 12.3). Besondere Vorsicht ist auch bei stärker angewitterten veränderlich festen Tonsteinen im Erdplanum gegeben (z. B. Keuper- und Jura-Tonsteine). Durch die Entspannung und die geänderten Wasserwegsamkeiten kann es zu einem Abfall der Festigkeit kommen. Zur Gewährleistung der Tragfähigkeit kann in solchen Fällen ebenfalls eine Verbesserung oder Verfestigung mit hydraulischen Bindemitteln gem. 7 Abschn. 12.3.3.1 erforderlich werden. 12.2.4

Verdichtungskontrollen

Die Verdichtungsanforderungen sind auf der Baustelle zu kontrollieren. Der Umfang der Kontrollen ist in der ZTVE-StB 09 festgelegt. Als Prüfarten werden Eignungsprüfungen, Eigenüberwachungsprüfungen des Auftragnehmers, Kontrollprüfungen des Auftraggebers sowie nötigenfalls Schiedsuntersuchungen unterschieden. Bei den Prüfmethoden (M) werden nach ZTVE-StB 09, 14.2, weiterhin genannt: 44M1: Prüfplan mit statistisch verteilten Stichproben, 44M2: Flächendeckende, an der Walze installierte Messverfahren, 44M3: Überwachung der Arbeitsverfahren. Zur Methode M3 gehören u. a. eine Überwachung hinsichtlich

413 12.2 · Einbau und Verdichtung

44der geeigneten Verdichtungsgeräte, 44der maximalen Schütthöhen, 44der zulässigen Einbauwassergehalte, 44der erforderlichen Übergänge und der

Plattendruckversuch mithilfe des „Leichten

Arbeitsgeschwindigkeit.

Grundlage der versuchstechnischen Verdichtungskontrolle ist die erreichte Trockendichte ρd in Bezug auf die erreichbare Proctordichte ρPr. Die wichtigsten Dichtemessungen sind in 7 Abschn. 2.4.3 beschrieben: Ausstechzylinder, Sandersatzverfahren, Ballonverfahren, Gipsersatzverfahren. Bei grob- und gemischtkörnigen Böden mit einem Feinanteil 103 % nicht größer als 2,5 bzw. 2,6. Diese Verhältniszahlen haben nur Richtliniencharakter und gelten i. d. R. nur für grobkörnige und nicht für gemischt- und feinkörnige Böden. Außer dem normalen Plattendruckversuch (DIN 18 134) wird auch der dynamische

Fallgewichtsgerätes“ eingesetzt (. Abb. 12.5). Das Prüfverfahren eignet sich für grob- und gemischtkörnige Böden sowie auf steifen oder halbfesten feinkörnigen Böden mit geringem Kornanteil >0,063 mm. Beim dynamischen Plattendruckversuch wird der Boden über eine kreisförmige Platte durch ein Fallgewicht stoßartig belastet, wobei die maximale Normalspannung σ unter der Lastplatte 0,1 MN/m2 beträgt. Der dynamische Verformungsmodul Evd wird nach der Gleichung σ Evd = 1, 5× r × bzw. Evd = 22, 5 / s s (s = Mittelwert der gemessenen Setzungen in mm) ermittelt (s. d. TP BF-StB, Teil B, Dynamischer Plattendruckversuch mit leichtem Fallplattengerät, 2003). . Tab. 12.4 enthält aus Erfahrungswerten hergeleitete Zuordnungswerte gegenüber dem Ev2-Modul. Außer diesen Prüfverfahren werden besonders bei Großbaustellen mit gleichartigen Erdstoffen gelegentlich auch radiometrische Messverfahren bzw. Isotopensonden eingesetzt (7 Abschn. 2.4.3). Die bisher genannten Verdichtungskontrollen beruhen nicht nur auf einer subjektiven Auswahl der Schwachstellen, sondern sind nachlaufend und nur punktuell, d. h.

. Tab. 12.4  Zuordnungswerte DPr/Ev2 nach ZTVE-StB 09 und aus Erfahrungswerten hergeleitete Zuordnungswerte für den Evd-Modul Bodengruppe nach DIN 18 196

Verdichtungsgrad DPr (in%)

Verformungsmodul Ev2 (in MN/m2)

Dynamisches Verformungsmodul Evd (in MN/m2)

GW, GI

≥100

≥100

≥55

≥98

≥80

≥45

GE, SE SW, SI

≥100

≥80

≥35

≥98

≥70

≥30

Gemischt- und feinkörnige Böden

≥100

≥45

≥25

≥97

≥30

≥20

≥95*

≥20*

≥15*

* Werte gelten für Schutzwälle

12

414

Kapitel 12 · Erdarbeiten

. Abb. 12.5  Gerät für den dynamischen Plattendruckversuch (aus TPBF-StB, B 8.3, geändert)

12

stichprobenartig. Mit der geräteintegrierten flächendeckenden dynamischen Verdichtungskontrolle (FDVK) steht seit Anfang der 1980er-Jahre eine Prüfmethode zur Verfügung, die flächendeckend ist und schon während der Verdichtungsarbeiten die Qualität und Gleichmäßigkeit der Verdichtung sowie eventuelle Schwachstellen anzeigt. Die Gleichmäßigkeit

der Verdichtung ist von wesentlicher Bedeutung für spätere Fahrbahnuneb enheiten (Grabe 2000a). Beim FDVK-Verfahren wird aus Beschleunigungsmessungen an der Bandage einer Vibrationswalze (schwingende Masse) auf die Eigenschaften (Verdichtung) des Bodens geschlossen (. Abb. 12.6). Die Messdaten (Beschleunigungskennwerte) werden dem Walzenfahrer auf einem Monitor angezeigt und von einem Computer registriert. Bei den meisten grobkörnigen Böden (Gruppen GE, GW, GI, SW, SI) besteht i. d. R. eine gute Kalibrierungsmöglichkeit zwischen den FDVK-Messwerten und den Verdichtungswerten. Mit gewissen Einschränkungen gilt dies auch für gemischtkörnige Böden mit einem Feinkornanteil von ≥15 M.-% (Gruppen GU, SU, GT, ST). Bei höherem Feinkornanteil (>15 M.-%) und bei feinkörnigen Böden besteht eine deutliche Abhängigkeit vom Wassergehalt. Einzelheiten s. ZTVE-StB 09, 14.2.3, das FGSV-Merkblatt über flächendeckende dynamische Verfahren zur Prüfung der Verdichtung im Erdbau (1993), den TP BF-StB, Teil E, Flächendeckende dynamische Prüfung der Verdichtung (1994) und Vogt und Bräu (2010). Bei großflächigen Einsätzen können moderne Walzengeräte mit FDVK-Anzeige und mit GPS-gesteuerter

. Abb. 12.6  Prinzip der flächendeckenden Verdichtungskontrolle

415 12.2 · Einbau und Verdichtung

Positionserfassung koordinatenbezogen gesteuert und die Verdichtungsarbeiten so überwacht und dokumentiert werden. 12.2.5

Dammaufstandsfläche und Dammschultern

Bei tragfähigem Untergrund und ebenem Gelände sind für die Vorbereitung der Dammaufstandsfläche keine besonderen Maßnahmen erforderlich. Der Bewuchs wird abgeräumt, der Oberboden abgeschoben, nichttragfähiger Boden abgetragen sowie die Dammaufstandsfläche nachverdichtet. Der in Dammsohle zu fordernde Verdichtungsgrad ist . Tab. 12.2 zu entnehmen, die entsprechenden Ev2-Werte finden sich in . Tab. 12.4. Bei hohem Grundwasserstand kann in der Dammsohle eine kapillarbrechende Schicht aus wasserbeständigem Gestein erforderlich werden. Bei gelegentlicher Überflutungsgefahr ist diese ggf. bis über dem Hochwasserbereich anzuordnen. Maßnahmen auf weichem Dammuntergrund 7 Abschn. 14.1.4. Ist ein Gelände mehr als 1:8 geneigt, so ist nach ZTVE-StB zu prüfen, inwieweit für die Standsicherheit des Damms eine stufenartige Abtreppung der Aufstandsfläche, zumindest der talwärtigen Hälfte, erforderlich ist. In bindigen Böden sind solche Stufen mindestens 0,6 m hoch anzulegen und leicht nach außen zu neigen, damit Sickerwasser abfließen kann. Nötigenfalls kann dies durch längs laufende Sickergräben unterstützt werden. An steileren Hängen müssen die Stufen in den gut tragfähigen Untergrund einbinden. Eine solche stufenartige Verzahnung ist auch bei Verbreiterungen von bestehenden Dämmen vorzunehmen. Sickerwasser, Quellen und Rinnsale müssen vor dem Überschütten mit Dammschüttmaterial gedränt bzw. gefasst und abgeleitet werden. Bergseitiges Oberflächenwasser ist am Böschungsfuß in Gräben, nötigenfalls mit dichter Sohle, abzuleiten. Beim Auftreten von oberflächennahem Hanggrundwasser ist dieses durch einen Sickerschlitz am bergseitigen Böschungsfuß zu fassen und abzuleiten. Eine solche Maßnahme verhindert auch einen Grundwasserrückstau

12

oberhalb eines Damms, wenn die Durchlässigkeit des Untergrundes durch die Dammsetzungen vermindert wird. Derartige Vernässungen waren schon Anlass für Beschwerden von Oberliegern. Ein besonderes Problem stellt oft die unzureichende Verdichtung der Dammschultern dar, wodurch häufig Erosionsschäden und Oberflächenrutschungen ausgelöst werden. Nach ZTVEStB 09 ist im Bereich der Dammschultern die Schütthöhe zu verringern oder der Damm mit einem Überprofil zu schütten, das nachträglich abgeräumt wird, bzw. die Böschungsoberfläche ist mit geeignetem Arbeitsgerät nachzuverdichten. Auf keinen Fall dürfen Unregelmäßigkeiten in der Böschungsfläche durch unverdichtete Schüttmassen ausgeglichen werden. Darüber hinaus ist eine möglichst rasche Begrünung der Böschungsflächen anzustreben. 12.2.6

Hinterfüllen und Überschütten von Bauwerken

Im Hinterfüllungsbereich von Brückenwiderlagern treten häufig Unebenheiten der Fahrbahn infolge von Setzungen des Hinterfüllmaterials auf. Der Hinterfüllungsbereich eines Bauwerks wird im Regelfall von einer Linie ab 1 m hinter der Fundamenthinterkante mit 1: 1 nach oben verlaufend angesetzt. Er ist den Vorschriften entsprechend zu verdichten und zu entwässern (s. FGSV-Merkblatt für die Hinterfüllung von Bauwerken 1994). Bei Eisenbahnbrücken mit Fester Fahrbahn (7 Abschn. 12.4.3) ist gem. RiL 836 (1999/2002) und AK FF (1995) ebenfalls ein verbesserter Übergangsbereich vorzusehen. Da die bisherigen Regellösungen die Erwartungen nicht immer erfüllt haben, sind als Alternativen eine Stabilisierung der Erdbaustoffe mit Zement bzw. die Konstruktion eines umgekehrten verfestigten Erdkeils (Jaup und Kempfert 2000) und auch andere setzungsmindernde Bauweisen in der Diskussion (Szczyrba und Kudla 2008). Rahmenbauwerke müssen auf beiden Seiten gleichmäßig hinterfüllt und auch gleichmäßig

416

Kapitel 12 · Erdarbeiten

überschüttet werden. Die Einbauhöhen auf beiden Seiten des Rahmenbauwerks dürfen dabei nur um eine Schütthöhe differieren. Als Überschüttungsbereich eines Bauwerks gilt eine 1 m hohe Zone unmittelbar über dem Bauwerk. Hier gelten dieselben Vorschriften wie für den Hinterfüllungsbereich. Darüber darf die Dammschüttung normal fortgesetzt werden. Die Erdauflast der Hinterfüllung sowie mögliche Auflasten und der Verdichtungsdruck bei den Verdichtungsarbeiten verursachen einen zusätzlichen Erddruck auf die Widerlagerwände bzw. Flügelmauern, der je nach Bewegungsmöglichkeit der Wände in Größe, Verteilung und Richtung unterschiedlich sein kann. Widerlagerwände werden i. Allg. auf Erdruhedruck, mindestens aber auf erhöhten aktiven Erddruck bemessen (7 Abschn. 5.6.2). Bei unsachgemäßer Verdichtung, besonders bei Einsatz zu schwerer Verdichtungsgeräte, kann der Verdichtungsdruck den Erdruhedruck übersteigen, und es können nachteilige Wandbewegungen ausgelöst werden. Der Verdichtungsdruck baut sich allerdings nach dem Verdichtungsvorgang bis auf einen verbleibenden Restdruck wieder ab.

12

12.2.7

Erdbaumaßnahmen in Wasserschutzgebieten

Bei Baumaßnahmen in Wasserschutzgebieten sind außer der ZTV Ew-StB 91 die „Richtlinien für bautechnische Maßnahmen an Straßen in Wasserschutzgebieten“, RiStWag 2002 (E 2010), sowie die „Hinweise für Maßnahmen . Abb. 12.7  Abdichtungsmaßnahmen in einer Wasserschutzzone III nach RiStWag (aus Heyer und Floss 1994)

an bestehenden Straßen in Wasserschutzgebieten“, BeStWag 1993, zu beachten bzw. die „Richtlinien für die Anwendung von Wasserrecht auf Betriebsanlagen der DB AG“ von 1992. Die Schutzwirkung der das Grundwasser überdeckenden bindigen Schichten ist nach den Durchlässigkeitsbeiwerten und der Schichtmächtigkeit gestaffelt. Gemäß RiStWag sind je nach Durchlässigkeit sbeiwert (in m/s) folgende Schichtmächtigkeiten erforderlich: k < 1 × 10−7

1–2 m

k = 10−6 bis 10−7

2–4 m

k = 10−4 bis 10−6

4–8 m

k = 10−3 bis 10−4

5–15 m

Bei künstlichen Deckschichten legen die genannten Richtlinien neben den technischen Vorgaben für Baustoffe und Bauweisen (. Abb. 12.7) sowie der konstruktiven Gestaltung besonderes Augenmerk auf den Einsatz von Kunststoffdichtungsbahnen oder geosynthetischen Tondichtungsbahnen (Bentonitmatten). Letztere bestehen aus einer Lage Na-Bentonitpulver, eingeschlossen zwischen zwei Geotextillagen, z. T. mit zusätzlicher Polyethylenbeschichtung. Der Bentonit reagiert mit eindringendem Wasser, wodurch eine dichte pastöse Dichtschicht entsteht. Für derartige Tondichtungsbahnen (GTD) wird eine Durchlässigkeit von k = 5 × 10−11 m/s (bezogen auf 1 cm Dicke) angegeben, was einer Sickerwassermenge von 2,5 × 10−8 m3/s und m2 entspricht. Die beste Wirkung entwickeln Bentonitmatten bei Quellen unter Auflast, wobei eine

417 12.3 · Bodenverbesserung und Bodenverfestigung

gut abdichtende und ggf. selbstheilende Bentonitgelmasse entsteht, die vor Austrocknung geschützt werden muss. Bei den üblichen Na-Bentonitmatten wird durch kalkhaltiges Sickerwasser ein Ionenaustausch mit Ca-Ionen in Gang gesetzt, was mit der Zeit eine Erhöhung des k-Werts zur Folge haben kann. Einige Tondichtungsbahnen sind außerdem nicht durchwurzelungsfest, was zu Undichtigkeiten führen kann (Fleischer und Heibaum 2012). Die meist nur 10 mm dicken Dichtungsoder Dränschichten aus Geokunststoffen ersetzen zunehmend die 40–100 cm dicken Systeme aus mineralischen Erdbaustoffen (EAG-GTD 2002 und ZTVE-StB 09 sowie 7 Abschn. 12.3.3 und 18.4.1). 12.3

Bodenverbesserung und Bodenverfestigung

Gemäß 7 Abschn. 12.2.3 wird bei bindigen Böden auf dem Erdplanum eine Tragfähigkeit von DPr >97 % bzw. ein Ev2-Wert >45 MN/m2 gefordert. Diese Festlegung setzt praktisch eine halbfeste Konsistenz voraus, die häufig nicht gegeben ist. In diesen Fällen wird eine Verbesserung des Untergrundes in Form einer Bodenverbesserung durch Einarbeiten von Bindemitteln oder von Grobkorn bzw. eine Verbesserung der Tragfähigkeit durch Einlage von Geokunststoffen (7 Abschn. 12.3.3) oder ein Bodenaustausch nach 7 Abschn. 14.3.3 erforderlich. Bei einer Verbesserung des Untergrundes durch Einarbeiten von Bindemitteln wird im Erdbau zwischen Bodenverbesserung und Bodenverfestigung unterschieden. Bodenverbesserung ist ein Verfahren zur Verbesserung der Einbaufähigkeit und Verdichtbarkeit und damit zur Verbesserung der Tragfähigkeit der obersten Zone des Untergrundes oder des Unterbaus. Bodenverbesserung wird auch als technische Sicherungsmaßnahme für den eingeschränkten Einbau von Boden der Einbauklasse LAGA Z2 verwendet ( 7 Abschn. 12.5.4.2). Hinzu kommt ggf. eine qualifizierte

12

Bodenverbesserung zur Reduzierung der Dicke der Frostschutzschicht (7 Abschn. 12.4.2). Bei einer Bodenverfestigung wird der Boden durch Zugabe von Bindemitteln dauerhaft tragfähig und frostbeständig gemacht und kann dann teilweise auf die Dicke der Frostschutzschicht angerechnet werden (7 Abschn. 12.4.2). Als Bindemittel werden verwendet: 44Zement (DIN 197-1), 44Baukalk (DIN EN 459-1) in Form von gebranntem Kalk (CaO) oder Kalkhydrat (Ca(OH)2), 44Mischbindemittel (Kombination aus Zement und Baukalk). Die Auswahl des Bindemittels richtet sich nach der Bodenart und dem angestrebten Zweck. Allgemein werden in grobkörnigen Böden Zemente verwendet und in fein- und gemischtkörnigen Böden Kalk. Die einzelnen Standardbindemittel (Kalk und Zement) sind sowohl für die verschiedenen Bodenarten als auch für das entsprechende Anforderungsprofil unterschiedlich geeignet. Als Kompromiss werden in der Baupraxis zunehmend Mischbindemittel aus Kalk und Zement eingesetzt (. Abb. 12.8). Auf das Merkblatt für Bodenverfestigung und Bodenverbesserung mit Bindemitteln (2004) sowie die verschiedenen Eignungsprüfungen wird verwiesen. Besonders hinzuweisen ist auf das Problem calciumhaltiger Bindemittel in Böden mit Sulfatgehalten; und zwar sowohl gipsführen-

der als auch stark pyritschwefelhaltiger Böden (7 Abschn. 2.3.3). Mit gipshaltigen Böden ist im Verbreitungsgebiet der Zechsteinsulfate zu rechnen, regional auch in der Basiszone des Oberen Buntsandsteins (Röt) sowie vor allen Dingen im Bereich des Mittleren Muschelkalks und des Mittleren Keupers. Pyritschwefel im Boden kann besonders im Verbreitungsgebiet des Posidonienschiefers (Unterjura) auftreten. Die Sulfatgehalte im Boden oder im Porenwasser reagieren mit dem Calcium aus den Bindemitteln, und es entsteht u. a. Ettringit, ein gelartiges Ca-Al-Sulfat, das treibende Eigenschaften hat und zu einer Volumenzunahme um

418

Kapitel 12 · Erdarbeiten

. Abb. 12.8  Eignung und Mischungsverhältnis der Bindemittel für die verschiedenen Bodenarten (nach Schade 2010) Abschnitt Bodenart Bindemittel B [TA] nur Kalk C [TM], [TL], [UM] Kalk und Mischbindemittel 50:50 D [GU*], [SU*] Kalk und Mischbindemittel 50:50 bis 30:70 E [GU], [SU] Kalk und Mischbindemittel 30:70 und Zement F [GW], [GI] nur Zement

12

bis zu 30 % und einer Zerstörung der Bodenstruktur führt. Die Bestimmung der Sulfatgehalte im Boden oder des Eluats erfolgt nach DIN 4030-2 (7 Abschn. 10.5.2). Bei Sulfatgehalten >3000 ppm (0,3 %) und Tongehalten 9 eingesetzt werden und auch nicht mit Betonteilen oder mit zement- oder kalkbehandelten Böden in Kontakt kommen, es sei denn, es werden alkalibeständige Geokunststoffe verwendet (z. B. PVA). Geokunststoffe sind auf der Baustelle gegen Witterungseinflüsse geschützt zu lagern. Um eine Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften durch UV-Strahlung (Restfestigkeit) zu vermeiden, beträgt die zulässige Freiliegedauer 1 Tag (niedrig wetterbeständig), 2 Wochen (mittel wetterbeständig) oder 1 Monat (hoch wetterbeständig). Für eine längere Freiliegedauer stehen UV-stabilisierte Produkte zur Verfügung. Die technischen Eigenschaften von Geokunststoffprodukten werden nach ihren Komponenten und deren Anordnung sowie der Art der Verfestigung bzw. Bindung bestimmt. Die Zuordnung zu definierten Gruppen erfolgt in Deutschland nach Geotextilrobustheitsklassen (GRK), und zwar bei Vliesstoffen nach der Stempeldurchdrückkraft (in kN) gem. EN ISO 12 236 und nach der Masse pro Flächeneinheit (in g/m2; . Tab. 12.5). Die flächenbezogene Masse reicht von 80 g/m2 bei einem leichten Vlies der GRK 1 bis zu 2000 g/m2 bei einem schweren Schutzvlies. Die entsprechenden Materialdicken betragen 1,5–12,5 mm. Bei Geweben und Geogittern erfolgt die Einordnung in die GRK nach der Höchstzugkraft (in kN/m). Allgemein kann man hinsichtlich der Haltbarkeit von Geokunststoffen davon ausgehen, dass die Systeme bei richtiger Materialwahl und sachgerechter Anwendung auch nach Jahrzehnten noch ihre Wirkung behalten (7 Abschn. 17.2.5.4).

12

. Tab. 12.5  Geotextilrobustheitsklassen (GRK) für Vliesstoffe nach FGSV-Merkblatt 1994 GRK

Stempeldurchdrückkraft (x*-s) in kN

Masse pro ­Flächeneinheit in g/m2

1

≥0,5

≥80

2

≥1,0

≥100

3

≥1,5

≥150

4

≥2,5

≥250

5

≥3,5

≥300

Für Vliesstoffe wird der Mittelwert der Stempeldurchdrückkraft (x*) minus Standardabweichung (s) verwendet.

Allgemein werden verwendet: 44Vliesstoffe zum Trennen, Filtern, Dränen, Schützen, 44Geogitter, Gewebe und Geozellen zum Bewehren, Tragen und Sichern, 44Dichtungsbahnen zum Abdichten. Die häufigsten Anwendungen im Erd- und Grundbau sind: 44Flächenstabilisierung bzw. Tragfähigkeitserhöhung zur Verlängerung der Nutzungsdauer von Straßen mit ungebundenem Oberbau, 44Bewehren von Dämmen und Böschungen gegen Böschungs- oder Grundbruch (7 Abschn. 14.1.3 und 14.3.1), 44Tragfähigkeitserhöhung von Gründungspolstern (7 Abschn. 7.2), 44Teilsicherungsmaßnahmen in Erdfall- und Bergschadensgebieten (7 Abschn. 19.4.3), 44Erosionsschutz von freien Flächen gegen Abtrag von Bodenteilchen durch Wasser oder Wind, 44Schutz von Bauwerksteilen. Bei Entwässerungsmaßnahmen hat das geotextile Dränelement die Aufgabe, den

422

12

Kapitel 12 · Erdarbeiten

Wasserdurchfluss zu ermöglichen und dabei den Boden vor Erosion zu schützen. Dränsysteme werden als Einzelelemente oder als Verbundelemente verwendet. Verbundelemente bestehen aus einer Filterschicht und einer formstabilen Sickerschicht mit entsprechender Abflussleistung. Das Bodenrückhaltevermögen wird durch die sog. charakteristische Öffnungsweite O90 der Filterschicht bestimmt (7 Abschn. 2.1.6). Übliche Mittelwerte sind (ZTVE-StB 09, 3.3.3.3): 44Vliesstoffe: 0,06 mm < O90 < 0,20 mm (entspricht dem Wert für bindigen Boden), 44Gewebe: 0,06 mm < O90 < 0,40 mm.

. Abb. 12.12  Schematische Darstellung des Membraneffekts von Geogittern (aus Eimersleben 2010)

Für die Anwendung von Dichtungsbahnen (Kunststoffdichtungsbahnen oder geosynthetische Tondichtungen) im Erd- und Wasserbau gelten die Normen DIN EN 13 382 (Anwendung in Verkehrswegen) und DIN EN 13 361 (Anwendung bei Rückhaltebecken und Staudämmen). In der erstgenannten Norm sind die RiStWagAnwendungen inbegriffen (7 Abschn. 12.1). Dehnfähige Vliesstoffe (auch Maschenware und Gewebe) werden zum Trennen, z. B. zwischen Schüttmaterial und Untergrund, eingesetzt. Sie bewirken damit eine tragfähigkeitserhaltende und in begrenztem Umfang auch eine tragfähigkeitsverbessernde Wirkung. Erstere wird durch Verhindern des Einwanderns von Feinkorn in das meist gröbere Schüttmaterial erzielt (sog. mechanische Filterwirksamkeit). Die tragfähigkeitserhöhende Wirkung ergibt sich aus der stabilisierenden Wirkung des Vliesstoffes an der Schichtgrenze zum weichen Untergrund. Diese Eigenschaften werden z. B. zur Verbesserung der Tragfähigkeit von Baustraßen genutzt, wo häufig ein kräftiges Baustellenvlies auf dem weichen Erdplanum verlegt wird, um eine Reduzierung der Verformungen zu erreichen. Reicht dies bei sehr weichem Untergrund nicht aus, so kann das Tragverhalten durch die zusätzliche Einlage einer oder mehrerer Lagen Geogitter verbessert werden (s. EBGEO, 7 Abschn. 6). Für den Einsatz als Trennlage ohne Bewehrungsfunktion wird auch auf das FGSV-Merkblatt M Geok E (2005) verwiesen. Die bewehrende Wirkung von Geogittern wird durch Verzahnung des Schüttmaterials mit dem aufgrund seiner Dehnsteifigkeit

hochzugfesten Geogitter und die dadurch entstehende Membran- und Verbundwirkung erreicht (. Abb. 12.12). Das Reibungsverhalten Geokunststoff/Schüttmaterial wird allgemein mit 0,5 tan φ (Boden) angenommen (s. a. EBGEO, 7 Abschn. 2.2.4.11 ). Durch eine mehrlagige Anordnung von Geogittern in einer mineralischen Tragschicht oder in einem Gründungspolster (7 Abschn. 7.4.3) wird eine deutliche Tragfähigkeitserhöhung erreicht. Ziegler und Ruiken (2009) haben in großmaßstäblichen Triaxialversuchen mit unbewehrtem und geotextilbewehrtem sandig-kiesigen Schüttboden eine deutliche Erhöhung der Scherfestigkeit und der Steifigkeit festgestellt. Ziegler (2012b) demonstriert die Wirkung solcher Verbundkonstruktionen an Beispielen. Die Empfehlung für das Bewehren mit Geokunststoffen (EBGEO, 7 Kap. 3) bietet dazu Bemessungsverfahren. Für Bewehrungsaufgaben mit Langzeitnutzungsdauer und/oder mit entscheidender Wirkung für die Sicherheit der Konstruktion werden hohe Anforderungen bei der Baustoffeingangsprüfung (BEP) gestellt (ZTVE-StB 09, 3.3.4.3). Im Straßenbau liegt das Hauptaugenmerk beim Einsatz von Geogittern auf der Erhöhung der Tragfähigkeit sowie der Trenn- und Filterstabilität gegenüber dem Untergrund und ungebundener Tragschichten mit gebundenem Oberbau. Nach Erfahrungen in der englischsprachigen Literatur (Lit. s. Schubert 2005) werden durch den Einbau einer biaxialen Geogittereinlage an der Basis der Tragschicht eine Planungsstabilisierung und eine signifikante

423 12.4 · Frostwirkung

Verbesserung der Tragfähigkeit bzw. des Verformungsmoduls auf der Oberfläche der ungebundenen, grobkörnigen mineralischen Tragschicht erreicht. Dabei ist außerdem eine merkbare Verlängerung der Gebrauchsdauer des Straßenoberbaus zu verzeichnen (Heerten et al. 2005). Die Versuchsergebnisse aus England führten zur sog. Ein-Drittel-Regel, wonach durch die Einlage einer formstabilen Geogitterbewehrung bis zu einem Drittel der Dicke der Tragschicht eingespart werden kann. In den letzten Jahren hat sich auch in Deutschland die Erfahrung durchgesetzt, dass durch den Einbau stabilisierend wirkender Geogitter in den Straßenaufbau nicht nur höhere Verkehrsbelastungen aufgenommen sondern auch eine Verbesserung der Langzeitgebrauchstauglichkeit erreicht werden kann. Die bautechnischen Vorschriften für den Straßenbau in Deutschland sind in den ZTVEStB 09, im FGSV-Merkblatt über die Anwendung von Geokunststoffen im Erdbau des Straßenbaus (M Geok E 2005) sowie in den TL Geok E-StB 05 zusammengestellt. Danach werden Geogittereinlagen in erster Linie zur Planungsstabilisierung und zur Reduzierung der Dicke eines Bodenaustauschs oder einer Bodenverbesserung verwendet und weniger zur Verminderung der Dicke der Tragschichten, die in erster Linie von den Frostschutzbedingungen abhängig ist. Für eine entsprechende Bemessung von Bodenaustauschschichten oder Tragschichten mit gewissen Verformungen stehen Diagramme der EBGEO, 7 Kap. 6, oder spezielle Dimensionierungssoftware zur Verfügung.

Vorhandensein von Wasser in der Gefrierzone bzw. in der kapillaren Ansaugzone. Als kritische Tiefenlage der Grundwasseroberfläche wird bei Schluffen und schluffigen Feinsanden, die eine große kapillare Steighöhe haben, 2 m unter Planum angesehen (7 Abschn. 2.9.7). 12.4.1

Frostempfindlichkeit von Erdstoffen und Fels

Als frostempfindlich gelten Böden, die beim Gefrieren des Porenwassers ihr Volumen vergrößern, wobei sich mit der Zeit zunehmend dicke Eislinsen bilden (. Abb. 12.13). Die Volumenzunahme führt zu Hebungen, die beim Auftauen nicht immer voll zurückgehen. Bei der Bildung von Eis in den Poren des Bodens wird das noch nicht gefrorene Wasser verdrängt. Kann dieses abfließen, so treten kaum Hebungen auf. Im anderen Fall bzw. wenn die Frosteindringung schneller erfolgt, als das Wasser abfließen kann, gefriert das Wasser, und es entsteht ein Gefrierdruck. Dieser beträgt in einem Grobsand praktisch 0 und kann in einem Tonboden auf Werte >200 kN/m 2 ansteigen. Die Auswirkungen dieses Vorgangs sind sehr stark von der Mineralogie des Bodens, der Geschwindigkeit und Zeitdauer der Frosteinwirkung (7 Abschn. 6.2) sowie von dem Wasser abhängig, das in der

12.4 Frostwirkung

Der Straßenoberbau muss so dimensioniert sein, dass er den Beanspruchungen aus dem Verkehr und dem Frosteinfluss standhält. Über die Randbedingungen bei Frosteinwirkung im Untergrund und die Entwicklung der Frostempfindlichkeitsklassen im Straßenbau berichteten zuletzt Quandt (1998) und Götz und Meyer (1999). Voraussetzungen für Frostwirkung und die Entstehung von Schäden an Verkehrswegen sind ein frostempfindlicher Untergrund und das

12

. Abb. 12.13  Profil eines Frostbodens mit Eislinsenbildung (A) und Verteilung des Wassergehalts im Boden (B) vor und nach dem Gefrieren

Kapitel 12 · Erdarbeiten

424

12

Gefrierzone bewegt wird. Außer dieser Volumenzunahme des Porenwassers entsteht im Zuge des Gefriervorgangs ein sog. Gefriersog mit einer Bewegung des Porenwassers aus der nicht gefrorenen Bodenzone zur Frostgrenze hin, was die Frosthebung verstärkt. Die Frostempfindlichkeit eines Bodens ist von verschiedenen physikalischen und mineralchemischen Faktoren abhängig, von denen aber in der Praxis meist nur die kritischen Korngrößenbereiche im Feinkornanteil berücksichtigt werden. Neben der Schluff- und Tonfraktion muss aber zumindest auch der sog. Mehlsandkornbereich (∅ 0,02–0,125 mm) Berücksichtigung finden. Hinzu kommen als wichtige Faktoren die mittlere Porengröße und die Durchlässigkeit bzw. Kapillarität des Bodens. Eine ausführliche Zusammenstellung der Frostempfindlichkeitskriterien bietet Floss (2011). In Deutschland erfolgt die Klassifikation der Frostempfindlichkeit seit dem Vorliegen der ZTVE-StB 76 bzw. des Merkblatts über die Verhütung von Frostschäden an Straßen (FGSV, 1991) und der FGSV-Forschungsarbeit über die Entstehung und Verhütung von Frostschäden an Straßen (1994) nach drei Frosteinwirkungszonen und Frostempfindlichkeitsklassen

(. Tab. 12.6). Die Frostempfindlichkeit eines Bodens der Empfindlichkeitsstufe F3 kann durch eine qualifizierte Bodenverbesserung gem. 7 Abschn. 12.3 in die Klasse F2 angehoben werden. Die aufgrund der Klimaunterschiede ermittelten Frosteinwirkungszonen basierten bisher auf Erfahrungen aus dem Extremwinter 1962/63. Für die aktuelle Frosteinwirkungskarte der BASt wurden jetzt die 30-jährigen Wiederkehrwerte der maximalen Frostindizes herangezogen (BASt aktuell 4/2012). Die Frostempfindlichkeit eines Festgesteins hängt ab von den petrografischen Eigenschaften (7 Abschn. 3.4.1), insbesondere vom Bindemittel. Der Frostangriff zeigt dabei zwei Wirkungsarten, ein oberflächiges Abwittern, das visuell erkennbar ist, oder eine innere Gefügestörung, die maßgebend ist für die Abnahme der Festigkeitseigenschaften bis hin zum Zerfall des Gesteins. Anfänglich kann dieser Vorgang durch einen Abfall der einaxialen Druckfestigkeit erkannt werden. Allgemein gelten harte Gesteine mit Druckfestigkeiten qu > 60 MN/m2 als frostsicher, solche von qu = 30–60 MN/m2 als schwach frostempfindlich und bei Druckfestigkeit qu < 30 MN/m2 als stark frostempfindlich.

. Tab. 12.6  Klassifikation der Frostempfindlichkeit von Bodengruppen (aus ZTVE-StB 09) Frostempfindlichkeitsklasse

Frostempfindlichkeit

Bodengruppen (DIN 18 196)

F1

nicht frostempfindlich

GW, GI, GE SW, SI, SE

F2

gering bis mittel frostempfindlich

TA OT, OH, OK ST, GT1) SU, GU1)

F3

sehr frostempfindlich

TL, TM UL, UM, UA OU ST*, GT* SU*,GU*

1) Zu F1 gehörig bei einem Anteil an Korn 15,0 oder 15,0 Gew.-% bei Cu

12

425 12.4 · Frostwirkung

Bei veränderlich festen Gesteinen ist die Frostempfindlichkeit des Verwitterungsprodukts maßgebend. Bei der Beurteilung der Frostempfindlichkeit von Fels im Gebirgsverband ist auch das Trennflächengefüge zu beachten. Im Erdbau erfolgt die Beurteilung der Frostempfindlichkeit eines Festgesteins gem. TP Gestein-StB nach der Wasseraufnahme nach DIN 1097-6 und nach dem Frost-Tau-Wechselversuch gem. DIN EN 1367-1 bzw. DIN EN 1367-6 (1-prozentige NaCl-Lösung). 12.4.2

Tragschicht und Frostschutzschicht im Straßenbau

Bei der Beurteilung des Frostgefährdungsgrads sind außer der Frostempfindlichkeit des Untergrundes auch die Verkehrsbedingungen (Bauklassen I–VI, . Tab. 12.3), die Lage der Straße sowie das Frosteinwirkungsgebiet mit den unterschiedlichen Frosteindringtiefen sowie dem Mikroklima und den hydrogeologischen Bedingungen entscheidend. Für die Frostsicherheit einer Straße zählt die Gesamtdicke der Oberbaus (. Abb. 12.1), bestehend aus der Decke, ein oder mehreren Tragschichten (ungebunden oder gebunden) und der eigentlichen Frostschutzschicht. Diese bildet die erste Tragschicht über dem Planum. Sie ist i. d. R. ungebunden. Aufgrund ihrer Körnung soll sie verhindern, dass Wasser aus dem Untergrund kapillar aufsteigen kann, und sie muss von oben eingedrungenes Wasser seitlich ableiten. Das verwendete Material muss frostsicher und verwitterungsbeständig sein. Verwendet werden sowohl Kies-Sand-Gemische der Gruppen GE, GI, GW, SE, SI und SW (DIN 18 196) als auch Brechsand-Schotter-Gemische der Lieferkörnung 0/56 und auch industrielle Nebenprodukte (Schlacken) oder Recyclingbaustoffe, soweit sie den Richtlinien für Tragschichten im Straßenbau (ZTVT-StB 95/02) entsprechen. Der Anteil an Feinkorn 15) verwendet. Das Mineralstoffgemisch muss den Technischen Lieferbedingungen der DB AG entsprechen, d. h., es muss gering wasserdurchlässig (k < 10−6 m/s) und filterstabil gegenüber dem Schotter und dem Unterbau bzw. Untergrund sein. Die Dicke der Planumschutzschicht beträgt i. d. R. 30 cm. Die Dicke der Frostschutzschicht einschließlich der Planumschutzschicht wird nach Frosteinwirkungsgebieten festgelegt und beträgt z. B.

für durchgehende Hauptgleise 0,5–0,7 m. Die Verdichtungsanforderungen sind aus . Abb. 12.4 ersichtlich. Bei weichem Untergrund kommt auch hier der Einsatz von Geokunststoffen in Betracht (7 Abschn. 12.3.3 und EBGEO, Abs. 6.3). Mit z u neh me nd e n Achsl aste n u nd Geschwindigkeiten unterliegt der Schotteroberbau einer verstärkten mechanischen Zerstörung, was einen deutlich erhöhten Instandhaltungsaufwand erfordert. Für Fahrgeschwindigkeiten über 200 km/h wird deshalb die seit Mitte der 1970er-Jahre aus Japan bzw. der Schweiz kommende sog. Feste Fahrbahn (FF) zunehmend eingesetzt. Bei der Festen Fahrbahn wird die durch die Schotterbettung bedingte schwimmende Lagerung des Gleisrosts durch eine Tragschicht aus Beton (BTS) oder Asphalt (ATS) in eine dauerhaft stabile Lage gebracht. Mit dieser Ausbildung sollen der Fahrkomfort verbessert und die Instandhaltungskosten minimiert werden. Die Anforderungen an die Tragschichten des Unterbaus und an den Untergrund sind in einem „Anforderungskatalog zum Bau der Festen Fahrbahn“ (AK FF, Ausgabe 1995) in der RiL 836 (1999/2002) und bei Darr und Fiebig (2006) zusammengestellt. Danach soll der Untergrund bis 4 m Tiefe unter Schienenoberkante (SO) keine bindigen Böden mit Ic 01P

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. Abb. 17.23  Beispiel einer Gebirgsklassifizierung nach dem RMR-System für einen dickbankigen Buntsandsteinfels mit teilentfestigten Bereichen (aus Holzhäuser und Stemle 2010)

17

Gesteinsbeschreibung gem. 7 Abschn.  3.1 und 3.4.1, der Gesteins- bzw. Gebirgszustand (7 Abschn. 3.4.2), die Trennflächentypen und -eigenschaften (7 Abschn. 3.4.3.2) sowie die Festigkeitskennwerte und die hydraulischen Eigenschaften von Gestein und Gebirge. Bei Bedarf können zur Festlegung der Gebirgsarten auch die quantitativen Gebirgskennwerte nach 7 Abschn. 17.3.2 herangezogen werden (s. John und Reiter 2007). Größere tektonische Störungszonen werden i. d. R. nicht einer Gebirgsart zugeordnet, sondern als eigene Einheit ausgewiesen. Maßgebend sind die Art der Störungsgesteine (Kakirit, Kataklasit), etwaige Bewegungsspuren oder Hinweise auf tektonische Gebirgsauflockerung (7 Abschn. 3.4.3.2). Die Anzahl der festzulegenden Gebirgsarten ist projektspezifisch und in erster Linie von der geologischen Situation abhängig. Dabei sollte die Anzahl der Gebirgsarten möglichst begrenzt bleiben. Im zweiten Schritt wird auf der Grundlage der Gebirgsarten unter Einbeziehung der

Überlagerungshöhe, der Grundwassersituation, der Raumstellung der Trennflächen in Bezug auf die Vortriebsrichtung sowie der örtlichen Gebirgsspannungen (Primärspannungszustand 7 Abschn. 2.7.9) das Gebirgsverhalten beschrieben; zudem werden Gebirgsverhaltenstypen festgelegt, die das Verhalten des Gebirges bei Ausbruch des endgültigen Querschnitts ohne Einfluss einer Querschnittsunterteilung und der Wirkung von Stützmaßnahmen beschreiben. Die o. g. Richtlinie unterscheidet elf Gebirgsverhaltenstypen (. Tab. 17.8), die je nach den zu erwartenden Gefährdungs- oder Versagensmechanismen einzeln oder in Kombination festgelegt werden können. Maßgebend sind dabei das Gebirgsverhalten beim Ausbruch (Ortsbruststabilität, Firstnachbrüche, mögliche Ausgleitungen von Kluftkörpern), eine örtliche Überbeanspruchung in Bezug auf die Gesteinsfestigkeiten, mögliche Bruchmechanismen und das Verformungsverhalten unter Berücksichtigung des Faktors Zeit (s. Anhang zu o. g. Richtlinie). Die Verteilung der Gebirgsverhaltenstypen entlang

635 17.3 · Gebirgsklassifizierung für konventionelle Vortriebe

17

. Tab. 17.8  Gebirgsverhaltenstypen in Anlehnung an die ÖGG-Richtlinie 2008 Gebirgsverhaltenstypen

Beschreibung des Gebirgsverhaltens (ohne Stützmaßnahmen)

1

standfestes Gebirge

standfestes Gebirge mit dem Potenzial zum schwerkraftbedingten Herausfallen oder Herausgleiten von kleinvolumigen Kluftkörpern

2

gefügebedingte Nachbrüche

Nachbrüche, vereinzelt lokales Überschreiten der Scherfestigkeit an Trennflächen

3

hohlraumnahe Überbeanspruchung

spannungsbedingte Entfestigung bzw. Plastifizierung des Gebirges in Hohlraumumgebung in Kombination mit gefügebedingten Nachbrüchen

4

tief reichende Überbeanspruchung

spannungsbedingte tief reichende Entfestigung bzw. Plastifizierung im Gebirge mit großen Deformationen

5

Bergschlag

schlagartige Ablösungen von Gesteinsplatten infolge von Sprödbruch; 7 Abschn. 17.5.1

6

Schichtknicken

Knicken von schlanken Platten, häufig in Kombination mit Scherversagen

7

Firstniederbruch durch Scherversagen

großvolumige Ausbrüche überwiegend im Firstbereich mit progressivem Scherversagen

8

rolliges Gebirge

Ausrieseln von kohäsionsarmen, gering verzahntem trockenem bis feuchtem Gebirge

9

fließendes Gebirge

Ausfließen von kohäsionsarmem Gebirge mit hohem Wassergehalt oder Wasserzufluss

10

quellendes Gebirge

zeitabhängige Volumenzunahme des Gebirges durch physikalisch-chemische Reaktion von Gebirge und Wasser in Kombination mit Entspannung

11

Gebirge mit kleinräumig wechselnden Verformungseigenschaften

starke Variation von Spannungen und Deformationen, bedingt durch Block-Matrix-Struktur (z. B. heterogene Störungszonen, tektonische Melange)

der Trasse ist darzustellen. Diskussionsbeiträge für die Ermittlung der Gebirgsverhaltenstypen bringen Gollegger und Marcher (2004), Eder et al. (2004), John (2004) und John und Reiter (2007). Auf der Grundlage der Gebirgsarten und der Gebirgsverhaltenstypen wird anschließend das tunnelbautechnische Konzept (Ausbruchmethode und Sicherung) festgelegt und das Systemverhalten ermittelt. Darunter versteht man die Interaktion zwischen Baugrund, Bauwerk und Bauverfahren oder, mit anderen Worten, das Verhalten des Systems Gebirge bei den gewählten Baumaßnahmen wie Bauablauf (Vortrieb)

und Ausbau (Sicherungs- bzw. Stützmaßnahmen und eventuelle gebirgsverbessernde Maßnahmen). Das Systemverhalten wird unterteilt in: 44Ausbruchsbereich (Standsicherheit der Ortsbrust, Anfangsverformungen), 44gesicherten Bereich (Tragfähigkeit der Spritzbetonschale) und 44Endzustand (vor Einbau der Innenschale). Dieses Systemverhalten gilt nicht nur für den zyklischen (konventionellen) Vortrieb, sondern auch für kontinuierlichen Vortrieb, d. h. die Interaktion zwischen Vortriebsmaschine und

636

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Kapitel 17 · Tunnelbau

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. Abb. 17.24  Die Gebirgsklassen nach ÖNORM im Vergleich zu den Bewertungszahlen des Q-Systems und des RMR-Systems (Erfahrungswerte nach Firmenprospekt)

Gebirge (Lauffer 2008). Über das Systemverhalten werden damit folgende Parameter bewertet: 44Standsicherheit der Ortsbrust, 44Tragfähigkeit (Auslastung) der Spritzbetonschale, 44Standsicherheit und verträgliche Verformungen des Gesamtsystems, 44Vermeidung von Gebirgsentfestigung und -auflockerung

17

Die Ableitung des Systemverhaltens, die Wahl der Baumethode und die Festlegung der Ausbruch- und Stützmaßnahmen sind Aufgaben des Tunnelplaners. Nach Festlegung der bautechnischen Maßnahmen für die einzelnen Gebirgsverhaltenstypen erfolgt als letzter Planungsschritt die Ermittlung der Vortriebsklassen gem. ÖNORM B 2203-1 (2001). Die darin enthaltene Vortriebsklassifizierung weist drei Gebirgstypen (A = standfest–nachbrüchig, B = gebräch–rollig und C = druckhaft–quellend) auf, mit je zwei bis fünf Unterteilungen (. Abb. 17.24), die mehr auf der Gebirgsqualität und dem Deformationsverhalten aufbauen. Die Vortriebsklassen sind durch Leitparameter wie Abschlagslänge und Stützmittelaufwand definiert und dienen der Leistungsbeschreibung, der Kalkulation und der Vergütung. Zur Mengenermittlung ist wieder eine Prognose für die Verteilung der Vortriebsklassen entlang der Trasse vorzunehmen. Die Ergebnisse der einzelnen Untersuchungsschritte und Festlegungen sind in einem Geomechanischen Bericht zusammenzufassen und zu erläutern. Der Geomechanische Bericht

baut ggf. auf den Einzelbeiträgen der verschiedenen Sachverständigen auf. Der Ingenieurgeologe ist vor allen Dingen an den beiden ersten Schritten (Gebirgsart, Gebirgsverhaltenstypen) beteiligt. Der geomechanische Bericht soll eine Modellvorstellung über das Gebirge und sein Verhalten beim Vortrieb ermöglichen und die vorgesehenen Maßnahmen nachvollziehbar machen. Außerdem muss er die Ergebnisse der Standsicherheitsbetrachtung und ihre Sicherheitsbewertung zum Inhalt haben (Ayaydin 2010). 17.3.4

Darstellung und Wertung der Gebirgstypen bzw. -klassen

Die hier diskutierten Gebirgsklassifizierungen beziehen sich auf den mechanischen Vortrieb mittels Tunnelbagger und Sprengen. Beim Einsatz von Vortriebsmaschinen gelten teilweise andere Kriterien (7 Abschn. 17.6.4.4). Im Rahmen der Begutachtung eines Projekts werden die Gebirgstypen und ihre Verteilung zusammen mit den übrigen ingenieurgeologisch-geotechnischen Indikatoren in einem Längsschnitt mit Matrix dargestellt und massenmäßig in die Ausschreibung übernommen, wobei eine Differenzierung in wahrscheinlich und möglicherweise zu erwartende Gebirgstypen bzw. in Haupt- und Nebentypen vorgenommen werden kann. Die Indikatoren der Matrix stellen eine Kurzbeschreibung des Gebirgszustands und der Reaktionen beim Tunnelausbruch dar und dienen sowohl für

637 17.4 · Ingenieurgeologische Baubetreuung

tunnelbautechnische als auch für wasserwirtschaftlich-ökologische Entscheidungen. Bei der Baudurchführung erfolgt vor Ort gemeinsam eine Überprüfung der Gebirgsklassifizierung und nötigenfalls eine Umklassifizierung. Durch geotechnische Messungen wird kontrolliert, ob bei den der Gebirgsklasse entsprechenden Stützmitteln eine Stabilisierung der Gebirgsdeformationen eintritt. Nach Abschluss der Arbeiten werden dann die prognostizierten und die angetroffenen Gebirgsklassen gegenübergestellt, wobei nicht selten Differenzen auftreten. In der Fachwelt werden heute recht unterschiedliche Ansichten über die Anwendung der Gebirgsklassen bei der Entwurfsbearbeitung für Tunnelprojekte vertreten. Teilweise sind die Gebirgsklassen alleinige Entwurfsgrundlage, und teilweise kommt die Gebirgsklassifizierung nur in den anfänglichen Projektphasen und für die Festlegung und Ausschreibung der Ausbruch- und Sicherungsarbeiten zur Anwendung. In letzterem Fall werden die Gebirgsklassen in Kombination mit modernen Vorgehensweisen für einen sicheren und wirtschaftlichen Entwurf eingesetzt, nämlich der Erstellung eines möglichst realistischen Gebirgsmodells auf der Grundlage der Gebirgsklassifizierung und darauf aufbauenden numerischen Berechnungen mit einer baubegleitenden Überprüfung der angenommenen Kennwerte und der Berechnungsergebnisse. Sommer (2009) bringt eine ausführliche Wertung der verschiedenen internationalen Klassifizierungssysteme gegenüber den modernen Entwurfsmethoden. Diese gehen mehr oder weniger allein von der Erstellung eines möglichst realitätsnahen Gebirgsmodells, der Ermittlung bzw. Abschätzung der nötigen Kennziffern und von FE-Berechnungen für eine Optimierung des Vortriebs und der Sicherungsmittel aus. 17.4 Ingenieurgeologische

Baubetreuung

Wenn das halbempirische Sicherheitskonzept der konventionellen Tunnelbauweisen ( 7 Abschn.  17.5.4 ) auch bei schwierigen

17

Gebirgsverhältnissen funktionieren soll, darf es nicht allein auf geotechnischen Prognosen aufbauen, sondern die Richtigkeit der geologischen und geotechnischen Vorgaben aus der Erkundungsphase muss durch eine systematische ingenieurgeologische Tunnelkartierung kontrolliert, dokumentiert und fortgeschrieben werden (s. a. ÖNORM B 2203-1). Bei Abweichungen von der Prognose ist das Gebirgsmodell einschließlich der Gebirgskennwerte zu überprüfen; notwendige Änderungen müssen im Planungsteam diskutiert werden. Ein erfahrener Ingenieurgeologe muss dabei in der Lage sein, vor Ort oder anhand einer guten Ortsbrustaufnahme die maßgebenden Gebirgsparameter und die Risiken einzuschätzen. Die ingenieurgeologische Tunnelkartierung dient damit nicht nur dem Zweck, die angetroffenen geologischen Verhältnisse zu dokumentieren, sondern auch kurzfristig Hinweise auf das zu erwartende Gebirgsverhalten zu geben und bei der Gebirgsklassifizierung mitzuwirken. Die ingenieurgeologische Tunnelkartierung ist zusammen mit den geotechnischen Messungen nach 7 Abschn. 17.5.3 ein wesentliches Kriterium zur Beurteilung der Standsicherheit, zur Früherkennung von Gefahrensituationen und auch ein Dokument im Hinblick auf Nachtragsforderungen aufgrund geänderter Geologie bzw. geänderten Gebirgsverhaltens (7 Abschn. 17.4.2). In den Empfehlungen des Deutschen Ausschusses für Unterirdisches Bauen (DAUB) zur Planung von Tunnelbauwerken (2003) wird vorgeschlagen, die unabhängigen Gutachter während der Planungs- und Ausführungsphase durchgehend zu beteiligen, um die Kontinuität sicherzustellen (s. a. Naumann und Brem 2004; John et al. 2016). 17.4.1

Ingenieurgeologischgeotechnische Vortriebsdokumentation bei konventionellen Vortrieben

Eine Vortriebsdokumentation besteht aus zwei Teilen: der ingenieurgeologischen

638

17

Kapitel 17 · Tunnelbau

Ortsbrustkartierung und den täglichen Verformungsmessungen gem. 7 Abschn. 17.5.3. Der im Einzelfall vorzusehende Aufwand für die ingenieurgeologische Tunnelkartierung ist vom Gebirge abhängig, und zwar von der Schichtenfolge, der Raumstellung der Schichten, dem Verwitterungsgrad, der tektonischen Beanspruchung des Gebirges und anderen geologischen Besonderheiten. In einem tektonisch durchschnittlich stark beanspruchten Gebirge ist eine Ortsbrustaufnahme je Tag, d. h. bei 3–4 Abschlägen etwa alle 4–6 Vortriebsmeter angemessen. In tektonisch stärker gestörten Abschnitten verkürzt sich der Abstand der Ortsbrustaufnahmen dabei von selbst auf etwa 2–4 m. Dies bedeutet, dass von einem Ingenieurgeologen in der Tagschicht je nach Schwierigkeitsgrad zwei bis drei Vortriebe betreut werden können. Die aus vermeintlich wirtschaftlichen Gründen häufig zu großen Abstände zwischen den einzelnen Ortsbrustaufnahmen haben schon oft teure Auswirkungen gehabt. Zu einer systematischen ingenieurgeologischen Tunnelkartierung und Vortriebsberatung gehören folgende Punkte: 44Aufnahme der generellen Schichtenfolge (Gesteinsbeschreibung, Verwitterungsgrad, Festigkeit) und der Schichtlagerung nach einem dem Gebirge angepassten Schema. 44Raumstellung, Beschreibung und Bewertung von tektonischen Verwerfungsund Störungszonen. 44Raumstellung der maßgeblichen Trennflächen (bevorzugtes Streichen und Fallen), Trennflächencharakteristik (Mittel- und Großklüfte), Gebirgseigenschaften gem. 7 Abschn. 3.4.3.2. 44Schwachstellen des Gebirges infolge tektonischer oder anderer festigkeitsmindernder Faktoren (z. B. tonige Kluftbeläge oder -füllungen, bes. bei Verdacht auf quellfähige Tonminerale), Verbandsfestigkeit (Gebirgsauflockerung) und andere geologische Besonderheiten müssen rechtzeitig erkannt und mitgeteilt werden. 44Grundwassersituation gem. 7 Abschn. 17.2.5.2.

International wird für die Ortsbrustaufnahme teilweise das RMR-System verwendet (7 Abschn. 17.3.2), indem die Daten der Ortsbrustaufnahme in das RMR-Wertesystem übertragen werden (s. Dae Gap und Schwarzboeck 2004; Gusenbauer 2009). Ein meist zu wenig beachtetes Problem bei der Einmessung der Trennflächen ist die magnetische Missweisung des Kompasses vor Ort infolge der Stahleinbauten (Bögen, Bewehrungsmatten, Anker). Die Messdaten müssen deshalb immer wieder mit der Achsrichtung überprüft werden (7 Abschn. 3.4.3.2). Die Qualität der ingenieurgeologischen Tunnelaufnahmen bzw. deren zeichnerische Darstellung ist erfahrungsgemäß sehr unterschiedlich. Heute werden die Ortsbrustaufnahmen zunehmend durch Photogrammetrie unterstützt, die später noch einen visuellen. Eindruck von der Situation an der Ortsbrust ermöglicht. Grundbedingung sollte sein, dass lithologische Grenzen, Bereiche unterschiedlicher Verwitterung und Trennflächenspuren in Dezimetergenauigkeit maßstäblich erfasst werden (. Abb. 17.25). Die bildbasierte Ortsbrustdokumentation verringert den Aufnahmeaufwand und gibt Zeit für zusätzliche Details gemäß der obigen Auflistung. Eine gute photogrammetrische Datenerfassung der Ortsbrust ist der üblichen Aufnahmetechnik mit dem Kompass überlegen. Nachteil der digitalen Bildtechnik ist, dass das Ausgangsbild mit den modernen Möglichkeiten des „Post-Processing“ beliebigen Verwandlungen und Retuschen unterzogen werden kann und damit kein verbindliches Dokument mehr darstellt, wenn nicht auf die Rohdatei zurückgegriffen werden kann. Ingenieurgeologische Ortsbrustdokumentation mit 3D-Bildern ist heute bei konventionellen Vortrieben Stand der Technik. Gaich und Pötsch (2015) bringen eine ausführliche Beschreibung des Verfahrens mit Anwendungsbeispielen. Benötigt werden eine entsprechende Kamera mit Stativ, gute Lichtquellen und freie Sicht auf die Ortsbrust. Zu einer Ortsbrustdokumentation gehören dann jeweils zwei Aufnahmen von unterschiedlichen Standorten, etwa 1,5 m vor der Ortsbrust. In der weiteren

639 17.4 · Ingenieurgeologische Baubetreuung

17

. Abb. 17.25  Digitalfoto und nachgearbeitete Interpretation einer Ortsbrustaufnahme (Graf 2000)

Auswertung mit dem Rechner können dann die Anzahl der Trennflächen und ihre Verteilung (Abstände, Orientierung) ermittelt und dargestellt werden. Die Ortsbrustaufnahmen lassen sich in mehreren Bearbeitungsschritten mittels gängiger Bildbearbeitungs- bzw. CAD-Programme bearbeiten und ggf. mit einer manuellen Detailaufnahme kombinieren. In einer Datenbank werden die Ergebnisse der Ortsbrustaufnahmen und die geotechnische Dokumentation

einschließlich Verformungsmessungen zusammengefasst. Tunnel-Monitoring-Programme ermöglichen eine flexible Verknüpfung und projektspezifische Darstellung sämtlicher Daten, die bei einem Tunnelvortrieb anfallen. Graphische Darstellung und digitale Fotodokumentation stehen kurzfristig zur Verfügung und können in Datensystemen und -netzen zeitnah dupliziert und übermittelt werden (Schubert et al. 2000; Fasching et al. 2001; Furtmüller et al. 2004; Scholz et al. 2005).

640

17

Kapitel 17 · Tunnelbau

Die Ergebnisse der Tunnelkartierung werden im Bedarfsfall zu einer umfassenden Vortriebsdokumentation ausgebaut: 44Ortsbrustaufnahmen werden fortlaufend oder in Ausschnitten übersichtlich dargestellt, wobei besonders auf die tektonischen Strukturen zu achten ist, die nicht nur als Einzelelement gesehen werden dürfen, sondern zu einem tektonischen Modell zusammengefügt werden müssen. Dabei muss vor allem auf das Einstreichen von spitzwinklig zur Achse verlaufenden Großklüften oder Verwerfungen und auch auf Strukturen geachtet werden, die in der Folge den Tunnel in engem Abstand begleiten. Solche Flächen können die Spannungsverteilung im Gebirge maßgeblich beeinflussen und zu Lastkonzentrationen am Ausbruchsrand und damit zu erhöhten Verformungen führen (Naumann und Prinz 1988) 44Umfangreichere Einzelangaben können in sog. Abschlagsberichten zusammengefasst werden, mit einer verbalen Beschreibung der Beobachtungen beim Abschlag, einer eingehenden Gebirgsbeschreibung, Ortsbrustskizzen und Fotos. 44Eine ständige Kontrolle und übersichtliche Darstellung der Grundwasserstände und ggf. auch von Quellschüttungen und der Wasserführung von Bachläufen in der Umgebung des Tunnels. 44Bei tief liegenden Tunneln sind während des Vortriebs auch die Wassertemperaturen zu kontrollieren. Unvermittelte Temperaturänderungen können die Annäherung an eine größere Störungszone anzeigen (7 Abschn. 17.2.3). 44In einem Soll-Ist-Vergleich zwischen prognostizierten und tatsächlichen Verhältnissen müssen zwischendurch die ingenieurgeologische Tunnelaufnahme und das Verformungsverhalten von Ausbau und Gebirge (auch Oberflächensetzungen, Extensometermessungen u. a.) regelmäßig zusammengestellt und interpretiert werden.

44Die Modellvorstellung über den

Gebirgsbau und über das Tragverhalten des Gebirges beim Vortrieb ist ständig fortzuschreiben und auf Abweichungen von der Prognose zu überprüfen. 44Bei unvorhergesehenen Ereignissen (große Verformungen, Nachbrüche) muss unverzüglich eine gründliche Dokumentation der Gebirgsverhältnisse und der Situation vor Ort, einschließlich einer Risskartierung, erstellt werden. Die heutigen CAD-Programme ermöglichen eine 3D-Modelldarstellung aller Erkundungsdaten, angefangen bei den Bohrergebnissen bis zu der Tunneldokumentation sowie den Messergebnissen im Tunnel und an der Geländeoberfläche (Furtmüller und Marschallinger 2003; Bergler 2009; Gusenbauer 2009). Inhalte einer solchen Datenbank, die dann allen Beteiligten zur Verfügung stehen, sind u. a. die Ortsbrustaufnahmen einschließlich der Ortsbrustfotos und die klassifizierbaren Daten des Gebirges (Gesteinsfestigkeit, Verwitterungsgrad, Trennflächenbeschreibung, Störungszonen, Zerlegungsgrad, Verbandsfestigkeit), die Wasserzutrittsmengen sowie auch nichtklassifizierbare Daten, die in Textfeldern verbal beschrieben werden können. Dazu kommen die Vortriebsdaten (auch Ausbaufestlegungen) und die Ergebnisse der Deformationsmessungen. Eine solche Datenbank ermöglicht eine zeitnahe Auswertung und Interpretation der Daten im Hinblick auf die Sicherheit des Vortriebs (Vergreiner et al. 2007) und dient dazu, das geotechnische Gebirgsmodell auf der Grundlage der neuen Informationen zu aktualisieren und Rückrechnungen vorzunehmen. Ohne eine systematische ingenieurgeologische Begleitung der Bauausführung in Form von Tunnelkartierung und Interpretation der Ergebnisse in einem Soll-Ist-Vergleich ist Tunnelbau in schwierigem Gebirge mit einem erheblichen Risiko verbunden. Das Erkennen der kausalen Zusammenhänge zwischen Gebirgsbeschaffenheit und Verformungsverhalten beim Vortrieb schafft die Grundlage für eine dem jeweiligen

641 17.4 · Ingenieurgeologische Baubetreuung

Problem angemessene Reaktion. Die Tatsache abklingender oder abgeklungener Verformungen allein ermöglicht nicht immer eine Aussage über die tatsächliche Sicherheitsmarge, mit der ja trotz allem noch unerkannte und nicht vorhersehbare Unregelmäßigkeiten abgedeckt werden müssen. Die Erfahrung hat auch gezeigt, dass die geologischen bzw. geotechnischen und vortriebsbedingten Zusammenhänge oft so vielgestaltig sind, dass aus einem einzelnen Ereignis nicht immer wirklichkeitsnahe, allgemeingültige kausale Zusammenhänge über den Verformungs- bzw. Versagensmechanismus abgeleitet werden können. Häufig bedarf es des Überblicks eines kompetenten Fachmannes, um über vergleichbare Fallstudien von anderer Stelle die prinzipiellen Zusammenhänge zu erkennen und Arbeitshypothesen aufzustellen. Nötigenfalls müssen auch zusätzliche Erkundungsmaßnahmen bzw. Messungen vorgeschlagen werden. 17.4.2

Ingenieurgeologisches Nachtragsmanagement

Die Bedeutung einer ingenieurgeologischen Vortriebsdokumentation wird nicht nur von den ausführenden Firmen oft unterschätzt und ist nachträglich dann meist nicht mehr beizubringen. Dabei werden gerade im Tunnelbau von den Beteiligten häufig Risiken eingegangen, die im Nachhinein nicht selten zu Streitigkeiten mit dem Auftraggeber führen. Eine Eingrenzung dieses Risikopotenzials und eine spätere Beweisführung sind i. d. R. nur anhand einer umfassenden Vortriebsdokumentation möglich, in der die vorgegebenen und die angetroffenen Gebirgsverhältnisse verglichen und den gemessenen Verformungen sowie dem Sicherungsaufwand gegenübergestellt werden. Das Gebirge als Baugrund und Baustoff ist grundsätzlich dem Risikobereich des Auftraggebers zuzurechnen. Wenn beim Tunnelvortrieb Verhältnisse angetroffen werden, die aus den Ausschreibungsunterlagen nicht erkennbar waren oder nicht vorhergesehen werden konnten und welche die Bauausführung erschweren oder verteuern, so ist der

17

Unternehmer berechtigt, vom Bauherrn eine Vergütung seiner Mehraufwendungen zu verlangen. Dabei ist zu unterscheiden zwischen Abweichungen gegenüber den prognostizierten Gebirgs- und Grundwasserverhältnissen, dem sog. Baugrundrisiko, und nicht vorhersehbaren Reaktionen des Gebirges beim Tunnelvortrieb, dem sog. Systemrisiko oder ggf. auch Setzungsrisiko Ausgangspunkt für das Erkennen etwaiger Abweichungen sind die Ergebnisse der ingenieurgeologischen und geotechnischen Voruntersuchungen. Sie waren entweder den Ausschreibungsunterlagen beigegeben oder konnten von den Bietern eingesehen werden. Darüber hinaus ist es Aufgabe des Planers, das erwartete tunnelbautechnische Verhalten des Gebirges in den technischen Entwurf und in die Leistungsbeschreibung einzuarbeiten. Nach Möglichkeit sollte es für den Bieter nachvollziehbar sein, wie der Planer die Ergebnisse der Voruntersuchungen in der Planung berücksichtigt hat und welche Annahmen über das zu erwartete Gebirgsverhalten der Ausschreibung zugrunde liegen. Auf der anderen Seite darf ein Bieter gemäß seiner vorvertraglichen Prüfungs- und Bedenkenhinweispflicht erkennbar fehler- oder lückenhafte bzw. widersprüchliche Angaben in den Vorleistungen (z. B. Gutachten) oder den Ausschreibungsunterlagen nicht einfach hinnehmen, sondern muss daraus sich ergebende Zweifelsfragen vor Abgabe des Angebots klären (sog. unechtes Baugrundrisiko). Auch nach Auftragsvergabe hat der Auftragnehmer (AN) alles zu tun, um den Projekterfolg sicherzustellen. Dazu gehören auch die üblichen Prüf-, Hinweis-, Informations- und Warnpflichten bzw. Behinderungsmitteilungen (s. d. geotechnik 39:2). Der AN muss auch jederzeit belegen können, wie er im Einzelfall gearbeitet hat bzw. wie er seinen Pflichten nachgekommen ist. Dazu gehört u. a. eine entsprechende Dokumentation der aufgetretenen Probleme, der daraus resultierenden Umstellungen und Zusatzleistungen einschließlich der Auswirkungen auf die Bauzeit. Nach der geltenden Rechtsauffassung (VOB, Teil A, Allgemeine Bestimmungen für die Vergabe von Bauleistungen) hat der

642

17

Kapitel 17 · Tunnelbau

Auftraggeber bzw. sein Beauftragter alle Untergrund- bzw. Gebirgsverhältnisse, welche die Errichtung eines Untertagebauvorhabens maßgeblich beeinflussen können, soweit zu erkunden und zu beschreiben, dass dies von allen Bietern im gleichen Sinne verstanden wird und die Erstellung von vergleichbaren Angeboten ermöglicht. Dem AN darf kein ungewöhnliches Wagnis aufgebürdet werden für Umstände, auf die er keinen Einfluss hat und die er nicht im Voraus abschätzen kann (VOB, A § 9). Andererseits bilden Abweichungen von den geologischen und hydrogeologischen Vorgaben allein noch keine Anspruchsgrundlage auf eine Mehrkostenvergütung, sondern nur, wenn belegt werden kann, dass die Abweichungen auch bei Einsatz aller im Vertrag enthaltenen technischen Möglichkeiten zu einer Behinderung und im Weiteren zu unvermeidbaren Mehrkosten geführt haben (Haid und Maidl 2007). Außer den Kosten für die direkte Bewältigung des eingetretenen Schadens stehen dabei auch Kosten für die Umstellung der Vortriebsarbeiten und für eine Bauzeitverlängerung zur Diskussion. Wenn Schäden am Ausbau oder sonst im Tunnel bzw. im Gelände aufgetreten sind, deren Ursachen strittig sind, so wird zunächst nach den allgemeinen Beweisregeln bzw. der sog. Selektionsmethode vorgegangen. Danach wird erst einmal anhand aller verfügbaren Protokolle und Unterlagen überprüft, ob die erbrachte Leistung den allgemein anerkannten Regeln der Technik entspricht und in vollem vertraglichem Umfang erbracht worden ist oder ob irgendwelche Herstellungsfehler vorliegen. Der Umfang der möglichen Fehlerquellen wird gern unterschätzt (Kluckert 2010, darin Lit.). Im Bedarfsfall kann nach der sog. 5-M-Methode nach Englert vorgegangen werden: Mensch, Material, Methode, Maschine und Medium Baugrund. Bei der Bewertung der möglichen Schadensursache(n) gilt i. d. R. der widerlegbare Grundsatz, nämlich dass eine den Regeln der Technik entsprechende und gegengezeichnete Dokumentation der einzelnen Arbeitsvorgänge ein ausreichender Beweis dafür ist, dass auch die Ausführung entsprechend der Ausschreibung bzw. nach dem Stand und den Regeln der

Technik erfolgte. Eine solche Dokumentation des Vortriebs und der Arbeitsabläufe ist daher immer auch im Interesse des AN. Liefert die Selektionsmethode keine Auffälligkeiten, so sind die Ursachen im Gebirge zu suchen. Hier ist der Ingenieurgeologe gefordert, wesentlich zur Lösung der Problematik beizutragen. Eine sorgfältige ingenieurgeologische Tunnelkartierung gem. 7 Abschn. 17.4.1 ist dabei nicht nur Dokument für die Festlegung der Ausbruchklassen und der Sicherungsmaßnahmen, sondern sie liefert, ggf. zusammen mit einer entsprechenden Analyse der auftretenden Verformungen, häufig erst die Argumentationsgrundlage für ein schlüssiges Konzept. In vielen Fällen ist dazu die übliche Ortsbrustdokumentation nicht aussagekräftig genug, sondern es müssen rechtzeitig zusätzliche Aufnahmen bzw. Auswertungen vorgenommen werden, um die maßgebenden Strukturen im Gebirge zu erkennen und auch bewerten zu können (Prinz 2001). Bei der Begründung von Nachforderungen ist zu unterscheiden zwischen unvorhergesehenen bzw. unvorhersehbaren geänderten Gebirgsverhältnissen sowie zwischen Baugrundrisiko und Systemrisiko. Häufig werden für die Begründung von Nachforderungen unvorhersehbare Auswirkungen von geologischen Faktoren herangezogen, welche die Gesteins- und Gebirgsfestigkeit deutlich herabsetzen und das Verhalten des Gebirges ungünstig beeinflussen. Unvorhersehbar bedeutet, es handelt sich um bisher hier noch nicht bekannte geologische Phänomene. Dies gilt vor allem für Auflockerungen des Gebirgsverbandes infolge tektonischer Beanspruchung, frühere Hangbewegungen oder auch ungewöhnliche Primärspannungsverhältnisse, die bei den Voruntersuchungen nicht oder nicht ausreichend berücksichtigt und auch bei den Vortriebsarbeiten nicht in ihrer Tragweite erkannt worden sind. Weitere häufige Begründungen sind vorab nicht erkannte Rinnenbildungen, besonders an alten Landoberflächen, örtlich tief reichende Verwitterung, Fehlprognosen über das Schichteinfallen, Karststrukturen oder alte bergbauliche Hohlräume, Wasserführung des Gebirges, geänderte Kennwerte

643 17.4 · Ingenieurgeologische Baubetreuung

17

. Abb. 17.26  Vergleichende Gegenüberstellung der Aussagekraft einer Ortsbrustdarstellung mit der großflächigen Aufnahme der Schachtaufwältigung eines Verbruchs (Aufnahme Lahmeyer Int.)

(bes. der Scherfestigkeit auf Trennflächen) sowie weitere in 7 Abschn. 17.2.2 aufgeführte Risikofaktoren. Als unvorhergesehen gelten Ereignisse, die zwar in den Voruntersuchungen nicht erkannt und nicht berücksichtigt wurden, die aber für einen Spezialisten auf dem betreffenden Fachgebiet vorhersehbar gewesen wären. Für die am Bau Beteiligten war aber das Ereignis nicht vorhersehbar. Ähnlich liegt der Fall, wenn die Gebirgsverhältnisse zwar im Wesentlichen zutreffend beschrieben waren, das Verhalten des Gebirges beim Ausbruch aber nicht richtig eingeschätzt worden ist. In diesen Fall ist zwar die geologische Prognose unverändert geblieben, es liegt aber ein geändertes Gebirgsverhalten vor, das auch beim Vortrieb nicht rechtzeitig erkennbar war (sog. Systemrisiko, 7 Kap. 1 und 7 Abschn. 17.2.2). Die Folgen können große Deformationen, Nachbrüche oder auch Verbrüche sein. Die Ursache von Schadensereignissen kann beim Baubetrieb liegen (z. B. unsachgemäße Behandlung des Gebirges, unzureichende Sicherungsmaßnahmen, Geräteausfall, Fehlbedienung oder -behandlung der Sicherung) oder im Gebirge (unerwartete geologische

oder hydrogeologische Verhältnisse). Liegt die Ursache im Gebirge, tritt die Frage der Vorhersehbarkeit oder Erkennbarkeit für eine Spezialoder Fachfirma in den Vordergrund. Häufig treten Verbrüche in Gebirgsverhältnissen auf, die beim Vortrieb nicht als besonders schwierig erkannt und dementsprechend nicht zusätzlich gesichert worden sind (. Abb. 17.26). Erst das Verbruchereignis zeigt dann, dass entscheidende geologische Faktoren nicht richtig erkannt oder berücksichtigt wurden. In diesen Fällen müssen das Verformungsverhalten und der Schadensverlauf mit den bei der Aufwältigung des Verbruchs erkennbaren Strukturen im Gebirge verglichen und gründlich analysiert werden. Meist liegt auch nicht nur eine Ursache vor, sondern eine Verkettung mehrerer ungünstiger Umstände. In diesem Zusammenhang sind insbesondere tektonisch bedingte Gebirgsauflockerung und mangelhafte Gebirgseinspannung zu nennen, die in den vergangenen Jahrzehnten mehrfach zu Verbrüchen oder verbruchähnlichen Ereignissen geführt hat (Prinz und Michael 1998, darin Lit.; Prinz 1998, 2001). Schwieriger zu bewerten ist die Situation, wenn die Gutachten und Berichte allgemeine

644

Kapitel 17 · Tunnelbau

Hinweise auf besondere Gebirgsverhältnisse enthalten, ohne diese im Einzelnen zu quantifizieren oder zu lokalisieren, oder wenn in den Gutachten und in der Ausschreibung übergroße Bandbreiten der Gebirgskennwerte bzw. Rechenwerte angegeben werden. Übergroße Streuungen von Gebirgsparametern oder solche allgemeinen textlichen Hinweise sind für die Bieter nicht im gleichen Sinne kalkulierbar und können, wenn die Situation in größeren Umfang eintritt, ebenfalls zu Nachforderungen führen, die aber schwerer durchzusetzen sind. 17.5

Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges

Die Standfestigkeit des Gebirges beim Ausbruch eines Felshohlraums hängt ab 44von der Lage des Tunnelbauwerks im Berg und der Ausbruchsrichtung, 44von den Abmessungen des Felshohlraums, 44vom Gebirge, d. h. von der Gesteins- und Gebirgsfestigkeit sowie vom Trennflächengefüge und von der tektonischen Beanspruchung, 44vom Spannungszustand im Gebirge, auch von oberflächennah oder tektonisch bedingter Gebirgsauflockerung und 44von der Vortriebsart, der Vortriebsfolge und den Sicherungsmaßnahmen.

17.5.1

Lage, Richtung und Querschnitt des Hohlraums, Versagensmechanismen

Bei der Lage des Tunnelbauwerks im Berg kann die Morphologie Hinweise auf geologische Schwachstellen liefern. Der Verlauf von Seitentälern oder Rinnen am Hang wird oft von tektonischen Störungszonen geprägt. In solchen Expositionen und bei allen Lehnentunneln ist besonders auf hangparallele Trennflächen, auf fossile, z. T. tief reichende Rutschungsformen und auf Hangzerreißung zu achten. Im Bereich verstärkter Hangzerreißung ist mit erhöhter Verformungsanfälligkeit des Gebirges zu rechnen. Vom Talhang ausgehend kann sich die Gebirgsauflockerung über mehr als hundert Meter weit auf das angrenzende Gelände erstrecken. In Tunnelabschnitten mit geringer Überlagerung ( 1,0 auftreten. Die sekundäre Spannungsverteilung im Gebirge ist das Ergebnis aller durch den Ausbruch des Hohlraums ausgelösten Spannungsumlagerungen, die um den Ausbruchbereich herum einen räumlich begrenzten veränderten Spannungszustand auslösen. Dazu gehören zunächst die aus der Überlagerung resultierenden Spannungen, die, wie in . Abb. 17.29 dargestellt, sowohl in Längsrichtung über die Ortsbrust als auch quer zur Tunnelachse tangential um den Hohlraum herum abgetragen werden. Diese ausbruchsbedingten Spannungsumlagerungen bewirken in der Umgebung des Tunnels ortsabhängig eine Belastung bzw. Entlastung. Ober- und unterhalb des Ausbruchsquerschnitts treten stark entlastete Zonen auf, während das seitlich angrenzende Gebirge und die Tunnelschale stärker belastet

. Abb. 17.29  Spannungsumlagerungen und sekundäre Spannungsverteilung beim Tunnelvortrieb

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Kapitel 17 · Tunnelbau

werden. Großen Spannungskonzentrationen ist auch der Bereich vor der Ortsbrust ausgesetzt, was Ursache für die sog. Vorausverformung ist. Die Spannungsumlagerung bzw. die seitliche Spannungsausbreitung ist von der Gebirgsqualität, vom Trennflächengefüge und vom Einspannungs- bzw. Auflockerungszustand des Gebirges abhängig. Wirkt auf steil stehenden Trennflächen keine Normalspannung, so ist nicht nur die Spannungsausbreitung stark eingeschränkt, auch die Scherfestigkeit fällt bei ungenügender Normalspannung stark ab. Ungünstig streichende vertikal durchgehende Trennflächen behindern die Spannungsumlagerung und führen zu einer erhöhten Auflast auf den Spritzbetonausbau (sog. Umlagerungsdruck). Auch seitlich ungünstig einstreichende Trennflächen können Spannungskonzentrationen am bzw. nahe dem Ausbruchrand bewirken, die zusammen mit einem auflockerungsbedingt niedrigen V-Modul des Gebirges entsprechende Verformungen zur Folge haben und Bruchvorgänge auslösen können. Die von Schubert und Marinko (1989) beschriebene Entwicklung der Bruchmechanismen (. Abb. 17.42) mit Schubrissen im Kämpferbereich und grundbruchartigen Scherbrüchen unter den Kalottenfüßen konnten in einigen Fällen bei Tunneln im Buntsandsteingebirge in Osthessen beobachtet werden. Die Spannungsumlagerung bedarf außerdem einer gewissen Entwicklungshöhe. Wenn bei seicht liegenden Tunneln die Überlagerungshöhe wegen zu niedriger Gebirgsfestigkeit nicht ausreicht, um die Spannungstrajektorien seitlich weit genug in das Gebirge umzulenken, oder wenn ungünstig verlaufende Großklüfte die seitliche Spannungsausbreitung behindern, so konzentrieren sich die Zusatzspannungen nahe dem Ausbruchsrand, während sie bei voll entwickelter Spannungsumlagerung weiter in das Gebirge hinein umgelenkt werden (Naumann und Prinz 1988, darin Lit.). Diese Erkenntnis ist die theoretische Grundlage dafür, dass ab einer Überlagerungshöhe von >1,5 D eine Abminderung der Überlagerungslast auf eine der Gebirgsqualität entsprechende begrenzte Auflockerungsglocke vorgenommen werden kann (7 Abschn. 15.5.5.1).

Die grundlegenden Gedanken hinsichtlich der Reichweite und Verteilung der seitlichen Spannungsumlagerung gehen schon auf Wiesmann (1912) und Rabcewicz (1944) zurück. Allgemein wird eine seitliche Spannungsausbreitung von 0,5–1 D angenommen. Anhaltspunkte über die Spannungen und ihre Verteilung erhält man aus den Verformungsmessungen beim Tunnelvortrieb (7 Abschn. 17.5.3). Auf der Tunnelschale selbst lastet ein gewisser Auflockerungsdruck aus der Last der spannungsfreien Zone über dem Hohlraum, der sich je nach Gebirgsfestigkeit als leichte bruchlose Deformation oder als einige Meter hohe Entfestigungs- bzw. Auflockerungszone bemerkbar macht (Rabcewicz 1944). Die Höhe dieser Auflockerungszone ist von der Querschnittsbreite, dem Trennflächengefüge und den Vortriebsarbeiten abhängig. In Gebirgsarten mit geringen Gesteinsfestigkeiten (z. B. Tonsteine qu = 0,5–5,0 NM/m2 oder entsprechend entfestigte Tonschiefer) kann der Überlagerungs- bzw. Umlagerungsdruck nahe dem Ausbruchrand die einaxiale Gebirgsfestigkeit überschreiten (7 Abschn. 17.5.5.1). Es treten große Verformungen und duktil-plastisches Gebirgsverhalten auf, die Anzeichen für echten Gebirgsdruck sein können, der zu Stabilitätsproblemen führen kann. Die Deformationen laufen dabei nicht immer zeitnah zum Ausbruch ab, sondern können sich über Wochen und Monate hinziehen. Die Größe und der Verlauf der anhaltenden Gebirgsverformungen sind schwierig vorherzusagen. Das langzeitliche „Kriechen ist bei Beanspruchungen in der Nähe des Bruchzustands besonders ausgeprägt. 17.5.2.2 Tertiärer Spannungszustand

in Mittelgebirgstunneln, Quelldruck

Der „Baustoff Fels“ zeigt sowohl an steilen Böschungen als auch im Felshohlraumbau mehr oder weniger deutlich ein zeitabhängiges (rheologisches) Verhalten. Die Spannungszustände, die sich erst im Laufe der Zeit aufbauen bzw. verändern, werden als tertiärer Spannungszustand bezeichnet. Dazu gehören in erster Linie die Folgen einer zeitabhängigen

649 17.5 · Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges

Gebirgsauflockerung in Form von Kluftöffnungen und langzeitliche Kriechvorgänge sowie auch Gebirgsdruckerscheinungen durch Quellen. Im Prinzip treten Quellerscheinungen bevorzugt da auf, wo der Sekundärspannungszustand kleiner ist als der Primärspannungszustand und wo Wasser an das Gebirge herangeführt wird. Ersteres ist im Wesentlichen unter- und oberhalb eines Tunnels der Fall, wobei die Tatsache, dass bei flach lagernden Gesteinsschichten Quellverformungen fast nur in der Sohle beobachtet werden, in erster Linie auf die Wasserführung zurückgeführt wird. Quellverformungen und Quelldruck sind außerdem anisotrop, d. h., sie treten immer senkrecht zur Sedimentationsebene auf, sodass bei ± horizontaler Schichtung in den Ulmenbereichen nie Quellverformungen beobachtet worden sind. Bei Quellvorgängen ist zwischen Tonquellen und dem Umwandlungsdruck bei der Hydratation von Anhydrit zu unterscheiden, auch bei feinverteiltem Anhydrit in Ton- und Mergelsteinen. Beim Quellen von Ton und Tonstein ist zwischen innerkristallinem und osmotischem Quellen zu unterscheiden (7 Abschn. 2.7.11.1). Das innerkristalline Quellen ist i. d. R. bereits in der Natur weitgehend eingetreten, nicht dagegen das spannungsabhängige osmotische Quellen. Quellerscheinungen von Tonen und Tonsteinen sind schon häufig beobachtet worden. Besonders bekannt geworden sind solche Erscheinungen im Opalinuston, Ornatenton und Amaltheenton (Mittel- bzw. Unterjura), in den Oxford-Mergeln des Faltenjura sowie in Keupertonsteinen und tertiärzeitlichen Molassemergeln bzw. im Flysch, und zwar bereits ab Montmorillonitgehalten von 5–10 %, bezogen auf den Gesamtmineralbestand. Zu beachten ist, dass der Tonmineralgehalt und damit die Quellneigung in Dezimeterabständen variieren können. Außerdem sind der Verwitterungsgrad und der Primärspannungszustand zu berücksichtigen. In den Ton- und Mergelsteinen des südwestdeutschen Keupers tritt besonders das IllitMontmorillonit-Wechsellagerungsmineral Corrensit auf, das zusammen mit feinverteiltem

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Anhydrit die Ursache zahlreicher Bauschäden ist. Andere bei den Erkundungsarbeiten festgestellte quellfähige Tonsteine, etwa des Oberen Buntsandsteins, der Feuerletten des Mittleren Keupers und auch in Tonsteinen des Unterjura haben sich bei den Vortriebsarbeiten zumindest regional als nicht relevant erwiesen. Quellerscheinungen in Molassemergeln sind seit den Arbeiten von Moos (1949) bekannt. Zuletzt beschreiben Pilser et al. (2009) die erhöhte Quellneigung bestimmter Tonmergel und Mergel der Oberen Süßwassermolasse (OSM) beim Bau des alten Pfändertunnels, die Ende der 1970er-Jahre zu Sohldrücken von 0,15–0,45 MN/m2 und Sohlhebungen um bis zu 30 cm geführt hat. In den Mergeln der OSM kann außerdem feinverteilter Anhydrit vorkommen, was die Quellneigung wesentlich verstärkt. Ähnliche Erfahrungen sind auch in den Molasse-Tonmergeln des Achraintunnels (Braza und Kitzler 2006; Westermayer 2007) und den Oxford-Mergeln des Faltenjura gemacht worden, wo besonders Abplatzungen an den Ausbruchrändern und in der Sohle aufgetreten sind (Putz-Perrier et al. 2014). Auch in den Tertiärsedimenten des Steirischen Beckens haben quellfähige Tonminerale zu Sohlhebungen geführt (Reichard et al. 2011). Vom Opalinuston werden Quelldrücke bis 1,5 MN/m 2 beschrieben (Frühauf und Scholz 2005). Quellerscheinungen von Tonen und Tonsteinen treten bei Änderung des Spannungszustands (Ausbruch) bereits kurzfristig auf. Dabei ist schwer zu unterscheiden, ob es sich anfangs um entlastungsbedingte (plastische) Verformungen handelt oder ob der osmotisch bedingte Quellvorgang erst als Folgeerscheinung auftritt. Beide Vorgänge lassen sich praktisch nicht trennen (Steiner 2007). Das frühzeitige Einsetzen der Verformungen bewirkt, dass ein großer Teil davon bereits vor Einbau der Sohlsicherung eintritt bzw. während Spritzbeton noch verformbar und kriechfähig ist. Bei der Abschätzung des dann noch möglichen Quelldrucks sind sowohl der Zeitablauf als auch die Beziehung zwischen Quellhebung und Quelldruck bei behinderter Quellhebung zu berücksichtigen. Die Belastung im Sohlbereich kann

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Kapitel 17 · Tunnelbau

. Abb. 17.30  Im unausgelaugten Gipskeuper Baden-Württembergs aufgefahrene Tunnel (nach Wittke 2004a)

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bei gebirgsschonenden Ausbrucharbeiten ohne Einsatz von Wasser i. d. R. auf 0,3–0,5 MN/m2, max. 1 MN/m2, begrenzt werden (s. Westermayer et al. 2009). Der Quellvorgang reicht dabei bis zu einen halben Tunneldurchmesser unter die Sohle (Pilser et al. 2009). Für die Vortriebsarbeiten in quellfähigen Tongesteinen gilt es deshalb, Wasser vom Vortriebsbereich weitestgehend abzuhalten, die Ausbruchflächen sofort zu versiegeln sowie einen raschen Ringschluss und baldigen Einbau der Innenschale herbeizuführen (Braza und Kitzler 2006; Pilser et al. 2009). Den letzteren Anforderungen kommt ein TBM-Vortrieb mit Tübbingausbau entgegen, bei dem der Sohlbereich umgehend mit 0,25–0,5 MN/m2 belastet wird (Schmid 2006; Kirschke 2010). Zusätzlich kann im Bereich des Nachläufers eine Sohlauffüllung vorgenommen werden. Die Tübbinge im Sohlbereich müssen abgedichtet werden, um ein Eindringen von Betriebswasser in das Gebirge zu verhindern (Westermayer et al. 2009). D u rc h H ydratation des A n hyd r it s ( 7 Abschn.  19.2.2 ) ausgelöste Sohlhebungen werden besonders aus den Schichten des

Gipskeupers und den Sulfatgesteinen des Mittleren Muschelkalks Südwestdeutschlands (. Abb. 17.30 und 7 Abschn. 2.7.11.2) und in der Schweiz (Steiner et al. 2010, 2011) beschrieben. Die Sulfatgesteinsfolgen bestehen teilweise aus reinen Anhydrit-/Gipsbänken, die in Zentimeter- bis Dezimeterabstand von Dolomit- und Tonschlieren oder -lagen durchsetzt sind, teilweise aus Wechselfolgen von Ton- und Schluffsteinen mit Gips- oder Anhydritbänken bzw. Anhydrit/Gips-Ton-Mischgesteinen mit stark wechselnden Sulfatanteilen bis >60 M.-%. Teilweise liegen auch Tonstein- und Dolomitabfolgen mit untergeordneten Anhydriteinschaltungen vor. Gips tritt außerdem verbreitet als Fasergips oder Spaltenfüllung auf. Auch Residualbildungen früherer Auslaugungsvorgänge (7 Abschn. 19.2.2.2) können aufgrund häufig auftretender quellfähiger Tonminerale (meist Mixed-Layer-Minerale, 7 Abschn. 2.2.8) noch gewisse Quellerscheinungen hervorrufen. Die Bedeutung der Sohlhebungen für den Tunnelbau in Sulfatgesteinen ist durch eine größere Anzahl von Schadensfällen belegt, bei denen die Tunnel meist im Sohlbereich

651 17.5 · Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges

aufgebrochen sind. Besonders anfällig sind Ton-Anhydrit-Mischgesteine bzw. Tonsteine mit fein verteiltem Anhydrit, wobei man davon ausgeht, dass zunächst Neubrüche von Klüften im Gebirge infolge von Entlastung (Steiner et al. 2010, 2011) und Tonquellen einsetzen (Henke et al. 1979), wodurch feine Wasserwege geöffnet werden und dadurch die Hydratation in Gang gesetzt wird (7 Abschn. 2.7.4.2). Untersuchungen von Steiner et al. (2011) haben gezeigt, dass der Umwandlungsprozess von Anhydrit zu Gips mehrere Meter tief reicht und Quellvorgänge bis 6 m unter Aushubsohle auftreten. Der längerfristig anhaltende Quelldruck selbst wird im Wesentlichen durch den Kristallisationsdruck von rekristallisiertem Gips verursacht (7 Abschn. 19.2.2), wobei in Laborversuchen ein Druck von 8–10 MN/m2 ermittelt wurde (Wahlen 2009). Diese Drücke werden im Gebirge nicht erreicht. Der Quellvorgang wird hier durch den im Untergrund herrschenden Spannungszustand und die Verfügbarkeit von Wasser begrenzt. Angaben über langfristige Beobachtungen von Sohlhebungen liegen von einigen Tunneln in der Schweiz (Steiner 2007; Chiaverio und Thut 2010; Steiner et al. 2011) sowie vom KapellisTunnel bei Gaildorf mit Gesamthebungen von 4,7 m (Schaechterle 1926), vom Schanztunnel an der Bahnstrecke Stuttgart–Nürnberg bei Schwäbisch-Hall (Erichsen und Kurz 1995) und vom Wagenburg-Tunnel in Stuttgart vor (s. Bacharach 2007). Die Hebungen betragen 0,1–1,6 cm/ Jahr und halten über viele Jahrzehnte an. Am Schanztunnel sind von 1880 bis 1972 Hebungen von 1,5 m, d. s. 1,6 cm/Jahr, aufgetreten. Im Wagenburg-Tunnel wurden von 1957 bis 1970 im Sohlbereich Hebungen von 0,7–1,1 m festgestellt, wobei sich die Firste 20–30 cm gehoben hat. Im Sondierstollen für den Engelberg-Basistunnel wurde 1981 nach einem Wasserzutritt im Anhydrit in kürzester Zeit die 20 cm dicke Spritzbetonschale zerstört. Nachdem die 4 m langen Sohlanker abgerissen waren, trat innerhalb von 48 Stunden eine Sohlhebung von etwa 30 cm auf (Rehbock 1998). Beim Hauptvortrieb wurde in diesem Abschnitt eine 1,5 m dicke, mit SN-Ankern rückverankerte Sohle eingebaut, um

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die während der Bauzeit auftretenden Sohldrücke aufzunehmen. In einem in den Jahren 1986– 1987 hergestellten Untersuchungsstollen für den Freudensteintunnel wurden verschiedene Ausbauarten getestet und die einzelnen Strecken teilweise künstlich bewässert. Die Messergebnisse werden von Wahlen (2009) beschrieben. Vom Wagenburg-Tunnel in Stuttgart liegen Beobachtungen vor, dass der Quelldruck höher war als der Überlagerungsdruck von etwa 50 m Gebirge und sich die Geländeoberfläche fast gleich gehoben hat wie die Tunnelfirste (. Abb. 17.31). Auch beim Belchentunnel, beim Adlertunnel (TVM-Vortrieb) und beim Chienbergtunnel (alle in der Schweiz) wurden bei Überlagerungshöhen von 40–60 m Hebungen der ganzen Tunnelröhre von 50–83 mm gemessen, wobei beim Chienbergtunnel Geländehebungen bis 50 m seitlich der Trasse beobachtet wurden, was zeigt, dass auch bei Hebungsvorgängen die übliche Spannungsausbreitung auftritt. Die maximale Hebungsgeschwindigkeit des Chienbergtunnels betrug 4,5 mm/Monat und hielt unter Abschwächung viele Monate an (Chiaverio und Thut 2010). Das Phänomen, dass sich das Gebirge bis zur Geländeoberfläche mit hebt, tritt nach den Erfahrungen vom Heslacher Tunnel noch bei 91 m Überlagerungshöhe auf (Wittke 2004). Im Bereich des Anhydritspiegels hob sich hier die Tunnelröhre um 30 mm und die Geländeoberfläche darüber um 20 mm und kompensierte weitgehend die Setzungen aus dem Vortrieb (Steiner 2007). Nach derzeitiger Fachmeinung ist mit Geländehebungen bis zu einer Überlagerung von 110 m zu rechnen, was einem Quelldruck von etwa 2,5 MN/m2 entsprechen würde (Wittke et al. 2014). Der Vorgang des Anhydritquellens ist immer von der Zufuhr von Wasser, d. h. von der jeweiligen Gebirgsdurchlässigkeit abhängig (7 Abschn. 2.7.1.1.2). Das unausgelaugte Sulfatgebirge ist i. d. R. nur sehr gering durchlässig. Für den unausgelaugten Gipskeuper geben Wahlen und Wittke (2009) einen Mittelwert für die horizontale Gebirgsdurchlässigkeit von 10−9 m/s an, bei häufigen Einzelwerten von 10−10 bzw. 10−7 m/s. Auch die Wasserbewegung

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Kapitel 17 · Tunnelbau

. Abb. 17.31  Wagenburg-Tunnel bei Stuttgart: geologischer Schnitt mit den Verformungen der Südröhre (unten) und an der Geländeoberfläche (oben) – nach Paul und Wichter (1995)

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auf Klüften ist sehr begrenzt, da diese bei einsetzender Hydratation durch den Quelldruck und die Gipsmineralisation wieder geschlossen werden (s. a. Kupetz 2008). Die höheren Werte für Quelldrücke oder Quellhebungen dürften daher für stärker geklüftete Bereiche gelten oder für Gebirgsabschnitte, in denen der Fasergips nachträglich wieder gelöst ist. Im Bereich über dem Anhydritspiegel und der Auslaugungsfront weist das Gebirge dagegen infolge lösungsbedingter Auflockerungen meist eine gute Wasserwegsamkeit auf. Die Unkenntnis der tatsächlichen Wasserbewegungen im Gebirge bedingt wahrscheinlich auch die in der Praxis zu beobachtende Wechselhaftigkeit in der Intensität des Quellvorgangs. Verlässliche Voraussagen über die Größenordnung des zu erwartenden Quelldrucks bzw. der Quellhebungen und deren zeitliche Entwicklung sind deshalb bestenfalls anhand realistischer Angaben über die jeweilige Gebirgsdurchlässigkeit und Wasserführung und damit äußerst schwer zu treffen (Wittke et al. 2014). Steiner et al. (2010, 2011) betonen die Bedeutung des primären Spannungszustands bzw. von Spannungsänderungen durch den Vortrieb auf die Rissentwicklung im Gebirge, wodurch feine Wasserwege geöffnet werden

und der Quellvorgang ausgelöst wird. Die Höhe der vortriebsbedingten Auflockerungszone beträgt 4–5 m und kann Wasser aus benachbarten Bereichen anziehen. Nach Wittke (2012) kann dadurch die Gebirgsdurchlässigkeit seitlich, oberhalb und unterhalb der Ulmen von ursprünglich 10−9 m/s auf Werte von 10−6 bis 10−3 m/s im Nahbereich des Tunnels zunehmen. Ein Tunnel in quellfähigem Anhydritgebirge sollte daher mit möglichst großem Abstand zur Auslaugungsfront geplant werden (Wittke und Wittke-Gattermann 2010). Außerdem muss durch schonenden Vortrieb, einen raschen Sohlschluss und den frühen Einbau einer bewehrten Innenschale eine Gefügeauflockerung infolge von Spannungsumlagerung und damit die Entstehung neuer Wasserwege minimiert werden (Steiner et al. 2010, 2011). Das Prinzip der Selbstabdichtung (s. Wittke 2004; Wittke et al. 2007; Kirschke 2010 und 7 Abschn. 16.2.1) trägt dann ggf. dazu bei, dass verbleibende Wasserwege bei einsetzendem Quellvorgang wieder geschlossen werden. Wo Tunnel in anhydrithaltigen Gebirgsformationen erstellt werden müssen, gilt daher als erste Forderung, Wasser so weit wie möglich fernzuhalten (schonender Ausbruch, Trockenbohrungen, möglichst keine Ankerbohrungen; s. a. Bacharach 2007), und es muss ein Vortrieb

653 17.5 · Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges

gewählt werden, der Entlastungs- bzw. Sprödbruchvorgänge (Zug- und Scherbrüche) minimiert (Steiner et al. 2011). Im Bereich oder in der Nähe der Auslaugungsfront oder von tektonischen Störungs- und Zerrüttungszonen, d. h. in einem bereits aufgelockerten Gebirge, zeigen diese Maßnahmen i. d. R. wenig Wirkung. Diesem Umstand kann im Gegensatz zur bisherigen Fachmeinung (Kirschke 1998; Rock und Schömig 1999; Wittke 2004). auch durch Abdichtungsinjektionen mit Kunstharzen weitgehend abgeholfen werden (Wittke et al. 2014 und 7 Abschn. 7.3.2). Im Bereich der stärksten vortriebsbedingten Gebirgsauflockerung werden zur Verhinderung der Wasserwegigkeit in Tunnellängsrichtung Dammringe bzw. Ringbalken eingebaut. Das Gebirge außerhalb wird durch radiale Injektionen soweit abgedichtet, dass eine Gebirgsdurchlässigkeit von  90 m) vorliegt. Dann ist das Ausweichprinzip vorzuziehen, dessen Knautschzone einen Teil der Hebungen aufnehmen kann, sodass insgesamt geringere Hebungen der Tunnelröhre zu erwarten sind (s. Bacharach 2007). Die kritische Bauphase beim Widerstandsprinzip liegt zwischen dem Ausbruch und den ersten Sicherungsarbeiten sowie dem späteren Einbringen einer entsprechend dicken Betoninnenschale. Wenn sich während des Vortriebs bereits größere quellbedingte Hebungen einstellen, müssen nötigenfalls Sohlankerungen vorgenommen werden; zudem ist eine Umstellung auf das kostenaufwendigere Ausweichprinzip in Betracht zu ziehen (z. B. Engelberg Basistunnel; Bacharach 2007). Beim Bau des Chienbergtunnels (Schweiz) sind 2004 Hebungen der Tunnelsohle von bis zu 75 cm aufgetreten, die den Einbau einer Knautschzone notwendig gemacht haben. Nach 6 Jahren hat sich die Sohle dieser Knautschzone unter Ausfall der Sohlanker so stark gehoben, dass sie erneuert und durch 20 m lange Sohlanker verstärkt werden musste (Tunnel 32:3,2). Beim Engelberg-Basistunnel (Inbetriebnahme 1999) sind ebenfalls bereits mehrfach Quelldruckerscheinungen und Risse aufgetreten, die 2012 umfangreiche Sanierungsmaßnahmen nötig gemacht haben. Auch der Heslacher Straßentunnel (B 14) in Stuttgart war wegen quelldruckbedingter Schäden lange gesperrt.

Falls es die Quellproblematik zulässt, weist ein Schildvortrieb mit Kreisquerschnitt und sofortigem Tübbingeinbau Vorteile gegenüber einem konventionellen Vortrieb auf. Ein maschineller Vortrieb ist gebirgsschonend, und der zeitliche Abstand zwischen Ausbruch und Ringschluss beträgt meist nur Stunden. Nach dem Erhärten des Ringspaltmörtels liegt ein stabiler Ringausbau vor (Kirschke 2010; Steiner et al. 2010, 2011). Bei der zweiten Röhre des Pfändertunnels wurden die Tübbinge auf Quelldruck bemessen, die Fugen abgedichtet und der Ringspalt im Sohlbereich vermörtelt. Ab 100 m hinter dem Bohrkopf wurde als Auflast die Sohlauffüllung eingebracht (Schreitl et al. 2011). Um eine Längsläufigkeit von Gebirgswasser entlang der Tunnelaußenschale und im ausbruchnahen Auflockerungsbereich zu verhindern, müssen Anhydritstrecken gegenüber Tunnelabschnitten mit wasserführendem Gebirge durch sog. Dammringe in Form von umlaufenden mehrfachen Injektionen abgeschirmt werden (7 Abschn. 17.2.5.6). 17.5.3

Geotechnische Messungen und Verformungsverhalten in Mittelgebirgstunneln

Die Sicherheit eines konventionellen Tunnelvortriebs wird maßgeblich geprägt von der Qualität der Bauausführung und den Kontrollmessungen der ausbruchsbedingten Verformungen. Durch die beim Ausbruch eines Hohlraums stattfindende Spannungsumlagerung wird das Gebirge gegenüber dem primären Spannungszustand in einigen Bereichen entlastet, in anderen zusätzlich belastet (. Abb. 17.29). Diese Spannungsumlagerungen lösen Verformungen im Gebirge und am Ausbau aus. Ihre Größenordnung ist bei angepassten Vortriebsarbeiten und Stützmitteln in erster Linie von der Spannungsverteilung und dem Verformungsmodul des Gebirges abhängig. Dabei hat sich gezeigt, dass, wenn ein gewisses Maß an Deformationen zugelassen wird, der nötige Ausbauwiderstand zur Stabilisierung des Hohlraums erheblich reduziert werden kann.

655 17.5 · Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges

Bei den geotechnischen Messungen ist jetzt auch die Normenreihe DIN EN ISO 18 674 zu beachten. Die Messungen erfassen in erster Linie die Verformungen am Ausbau durch First- und Kalottenfußnivellements und dienen der Kontrolle des Tragverhaltens. Sie sind Standard moderner Tunnelbauweisen. Die Messungen werden seit Beginn der 1990er-Jahre über EDVgestützte trigonometrische Messdatenerfassungssysteme vorgenommen, bei denen mittels spezieller Reflex-Zielzeichen und Lasertheodoliten Absolutbewegungen registriert werden (. Abb. 17.33). Die Bestimmung der dreidimensionalen Absolutlage der Messpunkte erfolgt mit einer Genauigkeit von ± 1 mm (Standardabweichung). Die 3D-Verformungsmessungen der Spritzbetonschale ermöglichen eine räumliche Verformungsanalyse der Tangential- und Radialverformungen, wodurch auch

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Horizontalverschiebungen der Tunnelschale erkannt werden können. Dabei ist nicht allein die Größe der Verformungen, sondern es sind auch der Trendverlauf und die Entwicklung über die Tunnellänge maßgebend. Die räumliche Verformungsanalyse ist ein unverzichtbares Element der Sicherheit im Tunnelbau, wenn nicht nur Messdaten produziert und gespeichert, sondern auch mit Problemverständnis und Erfahrung interpretiert werden (s. Schubert und Moritz 2011). Messprinzip und Messgeräte sind im ÖGGHandbuch für geotechnische Messungen für konventionellen Tunnelbau (2014) beschrieben. Die First- und Kalottenfußmessbolzen müssen unmittelbar nach Einbringen der Stützmittel gesetzt und möglichst vor dem nächsten Abschlag nullgemessen werden, um einen möglichst großen Teil der Gesamtverformungen zu

. Abb. 17.33  Prinzip geodätischer Winkelmessung mit spezieller Objektpunktvermarkung und Darstellung der absoluten Bewegungsvektoren im Messquerschnitt (unten) (Firmenprospekt)

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Kapitel 17 · Tunnelbau

erfassen. Der Zeitpunkt der Nullmessung und der Abstand des Messpunktes zur Ortsbrust bei der Nullmessung sind zu protokollieren. Die Messungen werden bis zum Abklingen der Bewegungen täglich, später wöchentlich oder monatlich durchgeführt. Außer den gebräuchlichen Zeit-Verformungs-Diagrammen einzelner Messpunkte mit Darstellung des jeweiligen Vortriebsstandes (. Abb. 17.34) können bei Bedarf auch vortriebsorientierte Verformungsdarstellungen in Tunnellängsrichtung sowie Vektordarstellungen im Querschnitt ( . Abb. 17.34 unten) und andere Auswertungen abgerufen werden (Moritz und Schubert 2009). Mit modernen Mess- und Auswertungsmethoden können Zonen unterschiedlicher Gebirgsqualität ausgewiesen, eingeschränkte Spannungsumlagerung im Vortriebsbereich erkannt und rechtzeitig entsprechende Sicherungsmaßnahmen getroffen werden. Das komplette Messprogramm besteht aus der Ermittlung der dreidimensionalen Absolutlage von First- und Kalotten- bzw. Strossenfußpunkten im Tunnel, bei oberflächennahen

Tunneln auch Nivellements von Geländepunkten sowie ggf. Extensometer- und Inklinometermessungen. Hinzu kommen in bestimmten Messquerschnitten Druckmessdosen zur Feststellung des Radialdrucks in der Fuge Spritzbeton/Gebirge (Gebirgsdruck) bzw. für den Tangentialdruck im Spritzbeton (Betondruck). Besondere Problemstellungen können darüber hinaus zusätzliche Messeinrichtungen, z. B. zur Ermittlung des Wasserdrucks, oder Rissbreitemessungen erfordern. Unter Konvergenz wird die ausbruchbedingte seitliche Profileinengung eines Hohlraums (Stauchung) aufgrund von Lastumlagerungen im umgebenden Gebirge verstanden. Die Profilaufweitung eines Hohlraums wird als Divergenz (Spreizung) bezeichnet. Messungen im Tunnel erfassen immer nur den Verformungsanteil nach der Nullmessung. Die dem Ausbruch bis zu diesem Zeitpunkt vorauseilenden Verformungen können, soweit sie bis zur Oberfläche durchschlagen, mittels Oberflächennivellement in Achsrichtung und in Querprofilen erfasst werden. Sofern menschliche Einrichtungen im Bereich der zu

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. Abb. 17.34  Zeitsetzungsverlauf der First- und Kalottenfußpunkte (Geotec)

657 17.5 · Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges

erwartenden Setzungsmulde liegen, sind diese in die (täglichen) Kontrollmessungen einzubeziehen. Außer den herkömmlichen Nivellements werden in Gebäuden dazu häufig elektronische (Druck-)Schlauchwaagen – ein stationäres Vielstellenmesssystem für eine kontinuierliche Erfassung relativer Höhenänderungen – eingesetzt (Gabener et al. 2010). Bei ungünstiger Verformungsentwicklung (Messergebnisse), die ein Erreichen der vorgegebenen Grenzwerte erwarten lässt, sind entsprechende Maßnahmen zu veranlassen (7 Abschn. 17.6.4.4). Die Setzungsmulde an der Geländeoberfläche entspricht im Normalfall der Verteilung der Spannungsumlagerung im Untergrund. Köster und Schetelig (1988) haben bei der Untersuchung von 157 Einzelfällen bei 68 % der Fälle Grenzwinkel zwischen 31 und 51° (im Mittel 41°) und damit erhebliche Abweichungen von der Grenzwinkeltheorie festgestellt (45 + φ/2, . Abb. 17.35 ). In Kluftgesteinen hängt die Ausbildung der Setzungsmulde sehr stark vom Trennflächengefüge sowie auch von Auflockerungszonen im Gebirge ab und führt zu asymmetrisch ausgebildeten Geländesetzungen (. Abb. 17.36) bzw. zu entsprechenden Verformungsdifferenzen der First- und Kalottenfußpunkte. Mit Extensometer- bzw. Gleitmikrometermessungen (7 Abschn. 4.8.4) werden in einem Bohrloch Relativbewegungen zwischen dem

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Ansatzpunkt (häufig Geländeoberfläche) und bis zu 5 verschiedenen Verankerungspunkten im Gebirge gemessen (. Abb. 17.36). Auf diese Weise kann bei rechtzeitigem Einbau die Verteilung der Verformungen in Bohrlochlängsachse über und neben einem Hohlraum vor, während und nach dem Ausbruch erfasst werden (z. B. Höhe der Auflockerungszone). Mit Inklinometern ( 7 Abschn. 4.8.4 und 15.2.5) können Horizontalverformungen quer zur Bohrlochachse gemessen und damit z. B. das räumliche Verformungsverhalten vor der Ortsbrust und neben dem Hohlraum erfasst werden. Mit solchen Messquerschnitten einschließlich Oberflächennivellement und Extensometermessungen, evtl. auch noch Inklinometermessungen, können die Entspannungsvorgänge der einzelnen Bauphasen ermittelt und Angaben über die Vorausverformungen vor der Ortsbrust und damit über den Entspannungsfaktor gemacht werden. In einem setzungsempfindlichen Gebirge können (meist schnell ablaufende) Verformungen der Ortsbrust in den Hohlraum von mehreren Zentimetern auftreten, die im Tunnel nicht bzw. nur in besonderen Fällen (z. B. bei Vortriebsstillstand) gemessen werden. Die Ortsbrust ist damit der einzige vermessungstechnisch nicht kontrollierte Bereich eines Vortriebs. Das Verhalten der Ortsbrust nach dem Abschlag und bis zum Einbringen der Brustsicherung

. Abb. 17.35  Theoretischer Verlauf der Setzungsmulde im Querschnitt und in Vortriebsrichtung (nach Loers und Jäger 2007)

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Kapitel 17 · Tunnelbau

. Abb. 17.36  Ergebnisse eines Extensometermessquerschnitts im Buntsandsteingebirge. Unten Ergebnisse der Tunnelkartierung mit Großklüften und flexurartigen Schichtverbiegungen, die z. T. in Störungszonen übergehen. Die Zahlen bedeuten mm Setzung

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sowie meist auch danach bis zum nächsten Abschlag wird immer nur visuell beobachtet bzw. nach dem gesamten Verformungsverhalten des Tunnels eingeschätzt. Die dreidimensionale Spannungsumlagerung bewirkt nicht nur eine Spannungskonzentration an den Ulmen, die zu erhöhten Setzungen und ggf. zu Festigkeitsüberschreitungen führen kann, sondern auch eine Spannungszunahme vor der Ortsbrust, einen Spannungsabfall im Vortriebsbereich sowie einen Spannungsanstieg in einem Abstand von 1,5–2 D hinter der Ortsbrust (. Abb. 17.37). Die sich zunächst aufbauende Längstragwirkung geht dabei mit zunehmendem Abstand zur Ortsbrust in eine Quertragwirkung über, die sich ab dem 1,5-fachen Durchmesser hinter der Ortsbrust einstellt und wodurch die Spritzbetonschale

. Abb. 17.37  Schema der Spannungsumlagerungen im Vortriebsbereich

659 17.5 · Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges

in diesem Bereich ihre volle Belastung erhält. Daraus ergibt sich bei wenig tragfähigem Gebirge die Notwendigkeit des rechtzeitigen Einbringens der Stützmittel und nötigenfalls eines raschen Ringschlusses. Auch der Spritzbeton muss in diesem Abstand zur Ortsbrust eine gewisse Festigkeit erreicht haben, um den vollen Ringdruck aufnehmen zu können. Die Spritzbetonschale weist bei einer Vortriebsgeschwindigkeit von 3–4 m/d in diesem Bereich ein Alter von 5–6 Tagen auf. Gleichzeitig hat die Schale hier bereits einen Großteil ihrer Verformungen erhalten. Die Spannungsausbreitung und damit das Verformungsbild sind sehr stark vom Trennflächengefüge abhängig. Steil stehende Schichtung oder den Vortrieb begleitende Großklüfte bewirken eine Behinderung der Spannungsausbreitung; sie können die Firste oder den Ulmenbereich einseitig belasten und erhöhte Setzungen verursachen. Querschlägige Großklüfte im Bereich der Ortsbrust behindern die Spannungsumlagerung in Längsrichtung und bewirken damit eine Spannungskonzentration und erhöhte Verformungen der Ortsbrust bzw., wenn sie in den Tunnel einstreichen, Spannungskonzentrationen im Ausbruchbereich und damit erhöhte Firstsetzungen (. Abb. 17.38). Messungen haben gezeigt, dass sowohl die anfänglichen Spannungsumlagerungen als auch

. Abb. 17.38  Querstörung im Ortbrustbereich behindert die Spannungsumlagerung und bewirkt erhöhte Firstsetzungen

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die damit verbundenen Verformungen dem Ausbruch um ein bis zwei Tunneldurchmesser (D) vorauseilen, aber etwa im selben Abstand hinter der Ortsbrust weitgehend zum Stillstand kommen (. Abb. 17.39). Die voreilenden Gebirgsverformungen sind auf den Spannungsanstieg vor der Ortsbrust sowie auf den Abbau des Porenwasserdrucks und die damit einsetzende Vorkonsolidierung des Gebirges zurückzuführen. Sie können ggf. durch in Bohrungen über Firste eingebaute Extensometer gemessen werden. Die vorauslaufenden Verformungen bilden die theoretische Grundlage für den rechnerischen Ansatz der Vorentlastung bei der Tunnelstatik (7 Abschn. 17.5.5). Entscheidend für die Größenordnung der Vorausverformungen ist der Zeitpunkt des Einbaus der Spritzbetonschale und bei den konkreten Messwerten auch der Zeitpunkt der Nullmessungen des Firstpunktes. Die Vorausverformungen schlagen auch bei Überlagerungshöhen von 50–100 m teilweise noch bis zur Geländeoberfläche durch. Die Größenordnung dieser durch vorlaufende Oberflächennivellements gemessenen Verformungen gibt vorab Hinweise auf die Gebirgsqualität und auf örtliche Schwächezonen. Konkrete Messergebnisse der Vorausverformungen im Tunnelniveau vor der Ortsbrust liegen nur vereinzelt vor. Klopcic et al. (2013) haben diese bei relativ ungünstigen Gebirgsverhältnissen in einem vorab vorgetriebenen zentralen Erkundungsstollen gemessen. Die Verschiebungen vor der Ortsbrust haben je nach Gebirgsqualität 15–45 % der Gesamtverformungen im gleichen Querschnitt betragen. Sie setzten bei etwa 2 D ein, zeigten bei 1 D eine deutliche Beschleunigung und eine weitere starke Zunahme bei etwa ½ Tunneldurchmesser (D). Die Vorausverformungen und die anfängliche Verformungsgeschwindigkeit sowie die Größenordnung der Verformungen sind Ausdruck des Tragverhaltens des Gebirges. Nach Abklingen der ausbruchbedingten Spannungsumlagerungen bzw. Verformungen stellt sich ein sekundärer Spannungszustand ein, der zunächst ein Gleichgewicht zwischen dem Ausbauwiderstand und den Umlagerungsspannungen

660

Kapitel 17 · Tunnelbau

. Abb. 17.39  Anteil der Vorausverformungen und messtechnisch erfassbare Verformungen bei einem Kalottenvortrieb (nach Berwanger und Lindner 1989)

17

bedeutet. Ein anhaltendes Nachkriechen der Verformungen zeigt immer ein ungünstiges Gebirgsverhalten an. Bei Mittelgebirgstunneln zeigen ausreichend tief reichende Extensometer- und auch Gleitmikrometermessungen seitlich der Tunnelröhre Vertikalverformungen bis unter das Aushubniveau, die belegen, dass es sich bei den gemessenen Verformungen tatsächlich um Setzungen infolge von Spannungszunahme handelt (. Abb. 17.36). Im Entlastungsbereich unterhalb der Tunnelröhre wurden entsprechend auch leichte Hebungen beobachtet. Gleitmikrometermessungen mit Darstellung der Verteilung der Verformungen in Bohrlochachse zeigen, dass über dem Ausbruch eine Abnahme der spezifischen Verformungen nach oben stattfindet, was eine Zone vertikaler Dehnungen bedeutet, während die Verformungen vor der Ortsbrust und seitlich neben dem Tunnel Stauchung, d. h. Kompression, anzeigen. Nur bei recht ungünstigen Gebirgsverhältnissen treten auch merkbare radiale, d. h. deutlich schräg nach innen gerichtete Verformungen auf. Die Vertikalverformungen infolge von Spannungszunahme werden überlagert durch einen Horizontalverformungsanteil als Folge der freien Höhe des Tunnelausbruchs (7 Kap. 9). Die Größenordnung dieser Horizontalverformungen ist abhängig von der Spannungsumlagerung

und der Gebirgsfestigkeit, insbesondere der Gebirgsscherfestigkeit auf Trennflächen. Eine Horizontalverformung macht sich besonders im Ortsbrustbereich bemerkbar. Bei flach liegenden Tunneln kann ein direkter Zusammenhang zwischen dem Ausmaß der Oberflächensetzungen und den Ortsbrustverformungen festgestellt werden (Moritz et al. 2008). Bei Mittelgebirgstunneln sind die horizontalen Konvergenzen bzw. Divergenzen meist recht gering (Naumann und Prinz 1988). In Gebirgsbereichen, in denen die Spannungskonzentrationen am Ausbruchrand in die Größenordnung der Gebirgsfestigkeit (auch geringe Scherfestigkeit auf vorgegebenen Flächen) kommt, ist mit größeren Verformungen der Spritzbetonschale und auch mit entsprechenden Konvergenzen zu rechnen, die besondere Maßnahmen verlangen (Schubert und Marinko 1989). Ein zu definierendes zulässiges Verformungsmaß hängt wesentlich von der Tiefenlage des Tunnels und vom Sprödbruchverhalten bzw. einem mehr zähen (duktilen) Bruchverhalten des Gebirges ab (7 Abschn. 2.7.10.3). Bei einem spröde reagierenden Gebirge können sich bereits ab 5–10 cm (gemessene) Verformungen unmittelbar Bruchvorgänge anschließen, während bei mehr duktilem Gebirgsverhalten Verformungen von 10–15 cm (und mehr) noch nicht zum Versagen führen müssen (s. a.

661 17.5 · Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges

Rabcewicz 1944). Bei den Überlegungen über das jeweils zulässige Verformungsmaß ist zu beachten, dass eine beim Kalottenausbruch in der Firste gemessene Setzung NF von 50 mm zusammen mit Setzungen aus dem Strossen- und Sohlvortrieb von etwa 30–60  % von NF sowie mit den nicht gemessenen voreilenden Setzungen (die i. Allg. bei 30–50  % von NF liegen) bereits eine Gesamtsetzung des Gebirges von etwa 80–105 mm ergibt. Bei tief liegenden Tunneln und mäßigen Gebirgsverhältnissen sind Verformungen der Tunnelschale von 20–30 cm (und mehr) nicht selten. Allgemein gültige Kriterien für die Bewertung von Verformungskurven liegen nicht vor. Die theoretische Möglichkeit, die Standsicherheit abzuschätzen, ist ein zeitnaher Vergleich von gemessenen und berechneten Verformungen (Soll-Ist-Vergleich). Die Sollwerte ergeben sich aus den vor der Bauausführung vorgenommenen geotechnischen Berechnungen und Prognosen gem. 7 Abschn. 17.5.5. Die Verformungen gelten dabei als zulässig und die Standsicherheit als nachgewiesen, solange die gemessenen Verformungen nicht größer werden als die im statischen Nachweis als zulässig erkannten Werte. In der Praxis erfolgt die Bewertung der Verformungen weitgehend nach dem Erfahrungswissen bzw. der Methode der vergleichenden Betrachtung. Aus der Ähnlichkeit der Kurvenverläufe werden dabei Rückschlüsse auf das Gebirgsverhalten gezogen. Als abgestufte Alarmwerte (Meldewert, Eingreifwert gelten sowohl bestimmte Grenzwerte (in mm) als auch Auffälligkeiten im Trendverhalten der einzelnen Messpunkte. Entscheidendes Kriterium ist das Abklingen der Verformungen nach 3–4 Tagen, wobei als kritischer Verformungszuwachs Anfangssetzungen von 0,1  % des Tunneldurchmessers pro Tag über mehr als 3 Tage, auch wenn sie sich durch Ausbauverstärkung beruhigen, als Anzeichen für ungenügende Tragreserven angesehen werden müssen. Außerdem sollten die Verformungsdifferenzen der Firstund Kalottenpunkte begrenzt bleiben. Besonders kritisch sind asymmetrisches Verformungsverhalten und Konvergenzen bzw. Divergenzen

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. Abb. 17.40  Einbau von Druckmessdosen für Tangentialdruck (oben) und Radialdruck (unten) im Spritzbeton (Zeichn. Sauer, Salzburg)

zu bewerten, für die nicht nur wesentlich niedrigere Alarmwerte gelten, sondern bei denen vor allen Dingen keine länger anhaltende Tendenz auftreten darf. Verformungsmessungen allein erlauben jedoch noch keine Aussage über den letztlich auf dem Tunnelausbau lastenden Gebirgsdruck. Hierzu werden in bestimmten Messquerschnitten Druckkissen für Spannungsmessungen Beton/Gebirge und im Beton installiert (. Abb. 17.40), die getrennt den Tangentialdruck im Spritzbeton sowie den Radialdruck am Kontakt Spritzbeton/Gebirge anzeigen. Bei diesen stationären Druckkissen handelt es sich um indirekte Spannungsmessverfahren (s. DIN EN ISO 18 674, Teil 1: 2015 und künftig Teil 8). Die Ergebnisse sind in hohem Maße von der Einbauqualität abhängig und häufig erst nach mehreren Messungen einigermaßen zu deuten. Auf der Basis der gemessenen Verformungen und der Spannungs-Dehnungs-Berechnungen des Spritzbetons wird versucht, eine nachvollziehbare Aussage über den Auslastungsgrad der Spritzbetonschale und damit über die noch vorhandenen Tragreserven zu erhalten (Schubert und Moritz 2011). Der Auslastungsgrad ist definiert als das Verhältnis zwischen vorhandener Spannung und aufzunehmender Spannung. Beträgt der Auslastungsgrad 100  %, ist die Bruchfestigkeit des Spritzbetons erreicht.

662

17.5.4

17

Kapitel 17 · Tunnelbau

Verbundwirkung von Gebirge und Spritzbetonausbau

Voraussetzung für einen erfolgreichen Tunnelvortrieb ist eine realitätsnahe Einschätzung des Gebirges sowie der Verbundwirkung von Gebirge und den eingesetzten Sicherungsmitteln, wobei das Gebirge die eigentliche Tragwirkung zu übernehmen hat und den Sicherungsmitteln nur unterstützende Funktion zukommt. Die konventionellen Tunnelbaumethoden nutzen diese Verbundwirkung aus. Sie basieren im Wesentlichen auf der Neuen Österreichischen Tunnelbauweise (NÖT, engl. NATM), die allgemein auch als Spritzbetonbauweise bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um eine Baumethode auf der Grundlage praktischer Erfahrungen und moderner geotechnischer Erkenntnisse unter Verwendung von Spritzbeton, Ankern und sonstigen Stützmitteln in Verbindung mit Messungen zur Kontrolle der Dimensionierung. Wesentlicher Punkt dabei ist, dass durch schonenden Ausbruch und Unterstützung durch die Hilfsmittel eine Auflockerung in der nahen Umgebung des Ausbruchs minimiert und die Tragfähigkeit des Gebirges erhalten wird. Die Spritzbetonbauweise, der allgemeine Ausdruck für die 1962 von Rabcewicz eingeführte „Neue österreichische Tunnelbauweise (Lauffer 2010), setzt die Verbundwirkung Gebirge/Bauwerk voraus, die durch einen gebirgsschonenden Ausbruch und eine sofortige Versiegelung mit Spritzbeton erreicht wird (7  Abschn. 17.8.1). Der Spritzbeton passt sich den Unebenheiten der Ausbruchfläche voll an. Die Lastabtragung erfolgt durch das Gebirge selbst, in Kombination mit der Spritzbetonschale. Über die Kontaktfläche Gebirge/Spritzbeton werden sowohl radiale als auch tangentiale Spannungen auf die Spritzbetonschale übertragen. Die relativ dünne Spritzbetonschale, ggf. verstärkt durch Stahlbögen, Bewehrungsmatten und Anker, blockiert eine Initialbewegung der Kluftkörper, wodurch die Gebirgsauflockerung im Wesentlichen auf eine pseudoelastische Entspannungsbewegung reduziert wird. Es tritt keine weitere Entfestigung und damit

keine größere Gebirgsauflockerung ein. Die dünne und schlaffe Spritzbetonschale hat damit nicht die Aufgabe, Gebirgsdruck aufzunehmen, sondern nur die vortriebsbedingte Gebirgsauflockerung zu minimieren und damit die Eigentragfähigkeit des Gebirges zu erhalten. Andererseits kann die schlaffe Spritzbetonschale, im Gegensatz zum früheren massiven Holzverbau, die durch die Spannungsumlagerung bedingten Verformungen mitmachen, ohne gleich Schaden zu erleiden oder zu versagen (. Abb. 17.41). Nach dem ursprünglichen Text des österreichischen Nationalkomitees wird das den Hohlraum umgebende Gebirge durch „Aktivierung eines Gebirgstragringes“ zu einem tragenden Bauteil. Unter Gebirgstragring wird dabei der den Hohlraum umgebende Gebirgsbereich verstanden, in dem die wesentlichen Spannungsumlagerungen stattfinden. Um diese Tragwirkung zu erhalten, ist es in einem nicht standfesten Gebirge erforderlich, den Hohlraumrand zu stützen bzw. zu stabilisieren. Für die Dimensionierung der Spritzbetonschale und der Stützmittel ist und bleibt das Tragverhalten des Gebirges selbst von ausschlaggebender Bedeutung. Die durch die Spannungsumlagerungen ausgelösten Verformungen bewirken zunächst eine deutliche Abnahme der Belastung. Der Druck steigt jedoch bei fortschreitender Verformung wieder an. Überschreiten die vertikalen Verformungen ein bestimmtes Maß, so kann es zunächst zu lokalen Festigkeitsüberschreitungen an größeren und an übereinander liegenden kürzeren Trennflächen kommen. Hierbei können sich Scherzonen ausbilden, die sich durch fortschreitende Überlastung der Nachbarbereiche wie ein progressiver Bruch fortpflanzen (. Abb. 17.42). Der Versagensablauf kann wie folgt unterteilt werden (Preh und Poisel 2009): 44In einer Anfangsphase bleiben die Bruchflächen auf den Nahbereich begrenzt. 44Bei zunehmenden Verformungen, insbesondere größeren Horizontalverformungen, bilden sich tief in das Gebirge reichende Scherbruchflächen aus, die im Endstadium zu Scherbruchkörpern führen.

663 17.5 · Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges

17

. Abb. 17.41  Gegenüberstellung der alten Tunnelbauweisen mit Holzverbau und die zweischalige Neue Österreichische Tunnelbauweise (Zeichn. Knittel, Hallein)

. Abb. 17.42  Ausbildung von Scherzonen und Bruchmechanismen im Kalottenstadium (nach Schubert und Marinko 1988)

Allgemein gehen Niederbruch- oder Verbruchereignissen größere Setzungen voraus, welche die oben genannten Vorgänge anzeigen. Werden diese Verformungen durch Verstärkung oder rechtzeitige Stützung des Ausbaus mit Stempeln gebremst, so kann der Verbruchvorgang trotz verhältnismäßig großer

Setzungen meist noch verhindert werden. In spröde reagierenden Gebirgsarten (z. B. dicke geklüftete Kalkstein- oder Sandsteinbänke) können Brucherscheinungen auch ohne vorherige größere Setzungen eintreten. Wichtig ist in solchen Fällen, dass der Tunnelvortrieb rechtzeitig gestoppt wird. Die Größe der Niederbrüche ist abhängig von der Gebirgsfestigkeit, den Trennflächenabständen und ihrer Raumlage zum Tunnel, etwaigen Wasserzutritten sowie dem Tunnelquerschnitt. Kleinere Niederbrüche führen zur Entstehung von sog. Kaminen. Größere Niederbrüche oder Verbrüche können den gesamten Tunnelquerschnitt verschütten und kommen erst durch die Barrierewirkung des Schüttkegels zum Stillstand. Bei flach liegenden Vortrieben schlagen sie meistens bis zur Geländeoberfläche durch (sog. Tagesbrüche).

664

Kapitel 17 · Tunnelbau

Weitere Anzeichen auf unzureichende Standsicherheit, auf die ein Tunnel ständig beobachtet werden muss, sind Risse im Spritzbeton und die Verformung von Ankerplatten, die eine Überbeanspruchung der Anker anzeigen (sog. Tulpen). Aus dem Rissbild kann auf die Art der Beanspruchung geschlossen werden. Radialrisse an Bögen sind i. d. R. Biegebrüche aus unterschiedlichen Beanspruchungen (Verformungen) in Tunnellängsrichtung, während Längsrisse im First- bzw. Kämpferbereich meist eine Schubbeanspruchung der Schale anzeigen, die verschiedene Ursachen haben kann. Bei linear begrenzter Schubbeanspruchung, z. B. an tektonischen Flächen, können auch riedelartige Risse im Spritzbeton auftreten, die das Durchstreichen der Fläche nachzeichnen. Die Rissbilder sind zu kartieren ( . Abb.  17.43) und mit den räumlichen Verformungsmessungen, der ingenieurgeologischen Tunnelaufnahme sowie dem Zustand der Ankerköpfe zu vergleichen, was meist weitergehende Schlüsse in Bezug auf die Beanspruchungsart

ermöglicht. Das weitere Verhalten der Risse ist durch Rissbreitenmessungen, zusätzliche Messbolzen, Gipsplomben und andere Zeitmarken zu kontrollieren. Das Rissbild und die weiteren Verformungsmaße bzw. -geschwindigkeiten sind wichtige Beurteilungskriterien für den jeweiligen Gefährdungsgrad. Die Frage nach den zulässigen Verformungen ( Setzungen Konvergenzen bzw. Divergenzen ohne dass es zu Rissbildungen an der Spritzbetonschale und zu einem Verlust der Tragfähigkeit kommt, kann nur unter Berücksichtigung der Verformungsentwicklung auf der Grundlage möglichst räumlicher Absolutmessungen diskutiert werden (Alarmwerte 7 Abschn. 17.5.3). Die Auswertung zahlreicher Schadensereignisse zeigt, dass sich Schwachstellen und kritische Bauzustände in der zeitlichen und räumlichen Verformungsentwicklung meist ankündigen und dass durch eine den Vortrieb begleitende gründliche Analyse der geotechnischen Messungen im Vergleich mit der ingenieurgeologischen Tunnelkartierung

17

. Abb. 17.43  Räumliche Darstellung einer Risskartierung (linke Tunnelhälfte)

665 17.5 · Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges

rechtzeitig Gegenmaßnahmen ergriffen werden können. In einem Sicherheitsmanagementplan wird deshalb für ein solches vom Sollwert abweichendes Verformungsverhalten ein abgestuftes Alarmsystem festgelegt (Moritz und Schubert 2009). Nach allen Erfahrungen ist im Tunnelbau ein Zustand erst wirklich kritisch, wenn keine Zeit mehr gegeben ist, Verstärkungen der Sicherungsmittel zur Stabilisierung des Tragsystems einzubauen. Diese Bauweise ist unter dem Begriff „Beobachtungsmethode auch in der DIN EN 1997-1 verankert (7 Abschn. 5.2.5). Im Tunnelbau, der zu den komplexen geotechnischen Aufgaben gehört, bedeutet dies, dass die Prognosen über das Systemverhalten, d. h. die Wechselwirkungen zwischen Gebirge und Vortriebsverfahren, während der Bauausführung zu überprüfen und ggf. die Kennwerte anzupassen sind, wenn sich das Verhalten von Bauwerk und Gebirge nicht wie erwartet einstellt. Bei sich abzeichnenden zu großen Verformungen oder einer Gefährdung der Standsicherheit sind entsprechende Gegenmaßnahmen einzuleiten (Schubert 2010). Aufgabe des Ingenieurgeologen ist dabei, das Tragverhalten des Gebirges mit einzuschätzen und durch verbale Beschreibung auf mögliche Gefährdungssituationen hinzuweisen, wobei Erfahrungen aus vergleichbaren Gebirgsverhältnissen bei der Risikobewertung durchaus von ähnlichem Gewicht sein sollten wie Berechnungsergebnisse (Schubert 2010). Eine solche geotechnische Interpretation hat umso mehr Bedeutung, als die Rahmenbedingungen (Geologie, Tektonik, Gebirgsverhalten, Einfluss des Grundwassers) stark variieren und sehr komplex sein können. 17.5.5

Bemessungsannahmen für die Tunnelstatik

Tunnel werden nicht nur im Festgestein, sondern auch in stark entfestigten Gebirgsarten und in Lockergesteinen aufgefahren. Die Bedeutung statischer Berechnungen wächst mit abnehmender Gebirgsqualität. Der Tunnelbau ist zwar im Eurocode 7 bzw. in der DIN EN 1997–1

17

(7 Abschn. 5.2) nicht explizit erwähnt, die darin definierte Beobachtungsmethode war jedoch immer schon wichtiger Bestandteil der Bemessungspraxis von Tunneln. Unabhängig davon kommt mit den neuen Normvorschriften auch bei der Berechnung und Bemessung von Tunneln das Teilsicherheitskonzept zur Anwendung (Städing und Krocker 2010). Ein international einheitliches gebräuchliches Regelwerk für tunnelstatische Berechnungen liegt nicht vor. In der Regel erfolgen Berechnungen im Tunnelbau nach den jeweiligen auf nationaler Ebene definierten Methoden. Ausgehend vom ingenieurgeologischen Gutachten werden für die Tunnelstatik Homogenbereiche definiert, in denen die Felseigenschaften als einigermaßen homogen angenommen werden und die Kennwerte innerhalb einer charakteristischen Bandbreite liegen. Um die Auswirkung der Streubreite der Gebirgskennwerte zu erfassen, sind nach RiL 853.0004 für untere Kennwertkombinationen Parameterstudien vorzunehmen. Diese haben aber nicht unbedingt Einfluss auf die Dimensionierung. Die rechnerischen Nachweise der Standsicherheit von Tunnelbauwerken beruhen vielfach noch auf vereinfachenden Annahmen für das Gebirge und die Interaktion von Gebirge und Bauwerk sowie auf einer Anzahl von Gebirgsparametern, die z. T. ebenfalls nur näherungsweise erfasst werden können. Grundsätzlich ist zwischen Lockergestein oder lockergesteinsähnlichen Gebirgsverhältnissen und massiven Festgesteinen bzw. geschichteten oder geschieferten Gesteinen mit mehr oder weniger ausgeprägter Festigkeitsanisotropie zu unterscheiden. Sedimentgesteine weisen z. B. ± horizontale Schichtflächen mit z. T. stark abgeminderter Scherfestigkeit sowie mehr oder weniger engständige Klüftung auf. Diese Unterschiede müssen sowohl im felsmechanischen Modell als auch in den einzelnen Kennwerten zum Ausdruck kommen. Die Standsicherheitsuntersuchungen im Tunnelbau haben damit einen anderen Stellenwert als sonst im konstruktiven Ingenieurbau. Die Ergebnisse der Berechnungen (einschließlich der jeweiligen Sicherheitsmargen)

666

17

Kapitel 17 · Tunnelbau

sind durch eine gesamtheitliche Sicherheitsbetrachtung (Qualität der Untersuchungsergebnisse und Parameter, Wahl des Berechnungsmodells) zu ergänzen und sind nach wie vor auf die Beobachtung und Messung während der Vortriebsarbeiten angewiesen. Die angetroffenen geologischen Verhältnisse müssen mit den der Bauausführung zugrunde gelegten Bemessungsannahmen für die statistischen Berechnungen verglichen und ggf. die Kennwerte angepasst werden. Das Problem dabei ist, dass mit den Messergebnissen bzw. darauf aufbauenden Rückrechnungen nur der integrale Einfluss sämtlicher Parameter erfasst werden kann, nicht aber einzelne Einflussfaktoren (s. Rokahr 1995). Die Eigenschaften des Gebirges bestimmen nicht nur die Einwirkungen (z. B. den Gebirgsdruck), sondern auch die Widerstände, d. h. die Gebirgsreaktionen. Die wesentlichen ständigen Einwirkungen auf den Tunnel sind der primäre Spannungszustand, der Überlagerungsdruck, der Seitendruck, die Spannungsumlagerungen beim Vortrieb und der Wasserdruck sowie ggf. echter Gebirgsdruck. Die Annahmen bzw. charakteristischen Kennwerte für diese Lasten werden nachstehend behandelt. Das Grundwasser hat i. d. R. grundsätzlich negative Auswirkungen auf die Standfestigkeit und das Verformungsverhalten eines Tunnels. Auf den Spritzbetonausbau wird i. d. R. kein Wasserdruck angesetzt. In einem Gebirge geringer Durchlässigkeit entwickeln sich um den frisch ausgebrochenen Hohlraum Porenwasserüberdrücke, welche die effektiven Spannungen und damit den Scherwiderstand des Gebirges abmindern Man geht aber davon aus, dass der Porenwasserüberdruck am Ausbruchrand im Laufe von Stunden bis Tagen einigermaßen abgebaut und das Wasser über das Dränsystem abgeführt wird, sodass sich kein Wasserdruck aufbauen kann. Bei einer sehr steilen Entspannungskurve des Grundwassers in unmittelbarer Umgebung des Tunnels kann sich ungünstigenfalls ein Sohlwasserdruck (Auftrieb) einstellen. Auf ungedränten Tunnel(innen)schalen muss ein Wasserdruck berücksichtigt werden, der sich aus der Höhe des Bemessungswasserstandes

ergibt (7 Abschn. 17.2.5.2) und auf die Tunnelsohle bezogen wird. Der Wasserdruck wirkt auf den gesamten Umfang des Querschnitts. Ziel der statischen Bemessung eines Tunnels sind möglichst realistische Voraussagen über die Stabilität und das Verformungsverhalten von Gebirge und Bauwerk sowie ihre gegenseitigen Wechselwirkungen. Im Einzelnen sind dies: 44Bemessung des Spritzbetonausbaus und der erforderlichen Stützmittel, 44Abschätzung der Verformungen des Tunnelausbaus und der Setzungen an der Oberfläche, 44Bemessung des endgültigen Tunnelausbaus. Im oberflächennahen Tunnelbau kommen ggf. dazu noch die Forderung nach Standsicherheitsnachweisen für den Lastfall „unzureichende Lastumlagerung“ (7 Abschn. 17.5.2.1 gegen Durchstanzen der Tunnelfirste im Bereich des noch nicht geschlossenen Tragrings hinter der Ortsbrust sowie gegen einen möglichen Verbruch der Ortsbrust oder einen Grundbruch des Kalottenfußauflagers. Mit dieser Ausweitung der Berechnungsverfahren und den später behandelten numerischen Berechnungsmethoden gewinnt die Ermittlung der maßgebenden Berechnungskennwerte zunehmend an Bedeutung. Bei tief liegenden Tunneln sind die wichtigsten Einflussfaktoren die Überlagerungshöhe, die Gebirgsfestigkeit und die Wasserverhältnisse. Hinzu kommen i. d. R. zusätzliche Erschwernisse durch die größeren Unsicherheiten des geologisch-geotechnischen Gebirgsmodells und in der Bestimmung realistischer Kennwerte über das Gebirgsverhalten, das in diesen Tiefen häufig duktil ist. Bei großen Überlagerungshöhen tritt die größte Beanspruchung außerdem nicht im Firstbereich auf, sondern horizontal in den Ulmen. Die Prognose der zulässigen Verformungen muss unter Anwendung der Beobachtungsbauweise überwacht werden, und das geotechnische Modell und die Kennwerte sind jeweils anzupassen. In Österreich ist ein ÖGGLeitfaden für die Planung tief liegender Tunnel

667 17.5 · Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges

in Arbeit. In Gebirgsarten geringer Festigkeit und hoher Verformbarkeit erlangt eine realitätsnahe Prognose der zu erwartenden Verformungen besondere Bedeutung, da sie nicht nur der Dimensionierung des Ausbaus und der Sicherungsmittel dient, sondern auch der Abschätzung des nötigen Überprofils (Wittke et. al. 2012). Auf die Grundlagen der Tunnelstatik kann hier nur in groben Zügen eingegangen werden, praktisch nur zu dem Zweck, die Notwendigkeit und die Verwendung der vom Ingenieurgeologen mitzuliefernden Bemessungsannahmen bzw. Kennwerte darzulegen. Außer den gelegentlich anzutreffenden empirischen Methoden auf der Basis einer qualitativen Gebirgsklassifizierung nach 7 Abschn. 17.3.2 sind im deutschsprachigen Raum im Wesentlichen zwei Verfahren gebräuchlich: 44die halbempirische Berechnung mit gebetteten Stabwerken (Stabwerks- oder Bettungsmodulverfahren) und 44die Berechnung mit Kontinuums- bzw. Diskontinuumsmodellen (Finite Element Methode, FEM). 17.5.5.1 Annahmen für den Spritzbe-

tonausbau

Die Standsicherheit der Ausbruchsicherung wird im Wesentlichen durch das Verbundsystem Gebirge, Ausbau und Anker gewährleistet. Die Belastungsseite und die Widerstandsseite können dabei nicht streng getrennt werden. Vereinfacht gilt: Der Widerstand des Ausbaus gegen Gebirgsverformungen erzeugt Druckspannungen, die vom Ausbau aufgenommen werden müssen. Diese Reaktion bezogen auf das Gebirge wird als Ausbauwiderstand bezeichnet. Der Gebirgsdruck bzw. Ausbauwiderstand wird im Verlauf der Verformungen des Gebirges langsam abgebaut. Das Verhältnis des nötigen Ausbaustützdrucks zur Spannungsumlagerung und zur radialen Hohlraumverformung kann durch die auf Pacher zurückgehende Gebirgskennlinie ausgedrückt werden. Dabei wird der erforderliche radiale Ausbauwiderstand p über die entsprechenden Verformungen des Ausbaus

17

. Abb. 17.44  Prinzip des Gebirgskennlinienverfahrens

aufgetragen ( . Abb. 17.44). Durch das Einbringen eines entsprechenden Spritzbetonausbaus stellt sich ein Gleichgewichtszustand zwischen dem einwirkenden Gebirgsdruck und dem Ausbauwiderstand (Stützdruck) ein, der durch den Schnittpunkt der Ausbaukennlinie mit der Gebirgskennlinie ausgedrückt wird. Durch Variation der Eingangsdaten ergeben sich unterschiedliche Gebirgskennlinien. Die Rechenwerte können durch die beim Vortrieb gemessenen Verformungen kontrolliert werden. Bei der Bemessung des Spritzbetonausbaus sind folgende Fälle zu unterscheiden: 44Der Spritzbeton dient lediglich als Versiegelung. 44Der Spritzbeton verhindert das Herausfallen von Kluftkörpern und eine Gebirgsauflockerung. 44Der Spritzbeton wird auf einen Stützdruck (Ausbauwiderstand) bemessen. Bei dem älteren Stabwerksmodell wird die Tunnelauskleidung als ein von außen durch die Überlagerungslast bzw. durch die Last der Auflockerungsglocke und gleichzeitig durch einen gewissen Seitendruck belastetes System betrachtet, bei dem das umgebende Gebirge als Bettung fungiert (. Abb. 17.45). Die Wechselwirkung zwischen Gebirge und Ausbau wird

Kapitel 17 · Tunnelbau

668

wobei ν = Poissonzahl, r = Radius eines kreisförmigen Tunnels, sonst H/2 bzw. D/2, C =  eine Konstante, deren Wert von verschiedenen Autoren zwischen 0,66 und 3,0 meist mit 0,8–1,0 angegeben wird.

. Abb. 17.45  Berechnungsmodell gebetteter Stabzug (aus Naumann und Prinz 1988): h = Überlagerungshöhe bzw. Höhe der Auflockerungsglocke; K0 = Ruhedruckbeiwert |(7 Abschn. 17.2.2)

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durch elastische Federn simuliert und der Gebirgsdruck (Auflockerungsdruck) auf der Grundlage der Tunnelbau-Klassifizierungssysteme abgeschätzt. Die Wirkung der elastischen Federn wird über den Bettungsmodul in die Rechnung eingeführt. Das Berechnungsverfahren, das heute meist nur noch der Vorbemessung dient, liefert ausschließlich Beanspruchungen und Verformungen des Tunnelausbaus und keine Angaben über Oberflächensetzungen. Der Bettungsmodul k s wird näherungsweise aus dem Verformungsmodul ermittelt und gewöhnlich als oberer und unterer Grenzwert angegeben: ks =

E V − Modul = Geb. r (1 + v ) r

bzw. ks = C

V − Modul (in kN/m3 ) r

Die rechnerisch anzunehmende Auflast auf den Tunnelausbau wird i. d. R. über die Tunnelbreite als konstant angenommen. Bis zu einer Überlagerungshöhe H = D wird bei Lockergesteinen und bei stark angewittertem nachbrüchigem Gebirge i. d. R. die volle Überlagerungslast als vertikale Auflast angesetzt (. Abb. 17.46). Bei einer Überlagerungshöhe von bis zu 1,5–2 D ist der untere Teil bis etwa 1 D mit der vollen Überlagerungslast anzusetzen, darüber mit einer ellipsenförmigen Abminderung der Druckfläche auf höchstens 50  % der anteiligen Last. Der Seitendruck wird im Fels über die Tunnelhöhe mit konstantem Wert angesetzt, bei geringen Seitendrücken ggf. auch mit nach unten abnehmender Last. In Lockergesteinen ist bei flach liegenden Tunneln fallweise zu entscheiden, ob mit einer solchen Rechtecklast oder mit einer nach unten zunehmenden Trapezlast zu rechnen ist. Das Seitendruckverhältnis bezieht sich auf die in Firsthöhe (bzw. z. T. in Kalottenniveau) anzunehmende Auflast. Der Seitendruck geht rechnerisch über das Seitendruckverhältnis in die Tunnelstatik ein (7 Abschn. 17.5.5.2). Bei oberflächennahen Tunneln müssen die Sicherungsmittel einen Großteil der Lasten aufnehmen. Bei größeren Überlagerungshöhen und großen Tunnelquerschnitten von >10 m Breite würde eine solche Berechnung eine Auflast von 600–700 kN/m2 bedeuten, was in der Praxis zu unrealistischen Spritzbetonstärken führen würde. Die Dimensionierung erfolgt in diesen Fällen nach einer der Gebirgsklasse entsprechenden Höhe der Auflockerungsglocke und Begrenzung der zulässigen Verformungen. Die Höhe der Auflockerungsglocke ist außer vom Gebirge und seinen Trennflächen

669 17.5 · Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges

. Abb. 17.46  Annahmen für die Auflast auf den Tunnelausbau (nach Duddeck 1990): H = Überlagerungshöhe; h = Höhe der Auflockerungsglocke; K0 = Ruhedruckbeiwert

(Gebirgsscherfestigkeit) vom Querschnitt des Hohlraums und von den Vortriebsarbeiten abhängig. Zu beachten ist, dass im Bereich der Auflockerungsglocke die Horizontalspannungen eingeschränkt sind und die Gebirgsscherfestigkeit stark abfällt. Zur Abschätzung der Auflockerungshöhe stehen verschiedene Verfahren zur Verfügung, die von unterschiedlichen Bruchmechanismen ausgehen. Nach Rabcewicz (1944) beträgt die Höhe der Auflockerungsglocke im spannungsfreien Raum für lockergesteinsartiges Gebirge hmax =

d 2sinϕ′

wobei d = halbe Ausbruchsbreite D. Diese empirische Ableitung liefert recht brauchbare Werte, die auch durch andere Überlegungen erhärtet werden (. Abb. 17.47). Im Endzustand wirkt zwar im Regelfall nicht die gesamte Last des aufgelockerten Bereichs, es stellen sich aber darüber hinaus Verformungen im Gebirge ein, die ebenfalls eine Belastung

. Abb. 17.47  Schematische Darstellung einer den Klufttreppen folgenden Auflockerungs- bzw. Nachbruchglocke für nachbrüchiges und gebräches Gebirge (dickere Strichstärke)

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670

Kapitel 17 · Tunnelbau

. Abb. 17.48  Schematische Darstellung der ErsatzBelastungsannahmen bei nachbrüchigem (a) und gebrächem (b) Gebirge

17

des Ausbaus bewirken, sodass die rechnerische Auflockerungsglocke nicht zu knapp bemessen sein darf. Durch unsachgemäßes Arbeiten kann der Auflockerungsdruck unnötig groß werden. In Gebirgsbereichen, in denen die Spannungsumlagerung behindert ist, können über die Auflockerungsglocke hinausgehende größere und auch einseitige Überlagerungslasten auf den Ausbau einwirken (7 Abschn. 17.5.5.1). Bei standfestem bis gebrächem Gebirge und einer Überlagerungshöhe ab etwa dem 2-fachen Durchmesser wird für die verschiedenen Gebirgsklassen mit folgenden Ersatz-Belastungsannahmen gearbeitet (. Abb. 17.48): 44Standfestes Gebirge, das praktisch keinerlei Sicherung des Hohlraums bedarf, erfordert eine hohe Gebirgsfestigkeit, einschließlich Gebirgszugfestigkeit, und eine Gebirgsscherfestigkeit von φ > 45° (K0 = 0,2–0,3). Diese Anforderungen sind nur bei weitständigen Trennflächen und geringem Durchtrennungsgrad gegeben. In mittel- und dünnbankigen Sedimentgesteinen sind diese Voraussetzungen i. d. R. nicht erfüllt. Der Spritzbeton dient bei standfestem Gebirge nur der Versiegelung und verhindert eine Gebirgsauflockerung. 44Bei ausreichender Gebirgsfestigkeit, aber nachbrüchigem Gebirge erfolgt die Dimensionierung häufig nach einer empirisch geschätzten oder nach obigem Verfahren ermittelten Höhe der Auflockerungsglocke (φ = 35–30°,

K0 = 0,35–0,5). Der Spritzbeton hat hier die Aufgabe, Nachbrüche zu verhindern und durch eine gewisse Stützwirkung die Eigentragfähigkeit des Gebirges zu erhalten. Für mittelbankige Sedimentgesteine entspricht die Mindestbelastung etwa der halben Ausbruchbreite, d. s. bei zweispurigen Verkehrstunneln etwa 6 m. Diese Annahme wird durch die einfache Betrachtung des möglichen Bruchkörpers entlang sog. Klufttreppen gestützt (. Abb. 17.47). 44Bei gebrächem Gebirge muss die Spritzbetonauskleidung nahezu die gesamten Umlagerungsspannungen aufnehmen. Dazu wird bei den heutigen Verkehrstunneln als Ersatzlast unabhängig von der Überlagerung ein elliptischer Gebirgskörper von etwa 10 m Höhe angenommen (φ ≈ 20°, K0 = 0,66), dessen rechnerische Grundfläche seitlich unter einem Aufstellwinkel von 45 + φ/2 verbreitert ist (. Abb. 17.48b). 44Bei stark gebrächem bis leicht druckhaftem Gebirge wird geprüft, ob die rechnerische lotrechte Spannung am Ausbruchrand die einaxiale Druckfestigkeit des Gebirges möglicherweise übersteigt (. Abb. 17.49). In solchen Gebirgsarten geringer Festigkeit (qu = 1–5 MN/m2) und entsprechender Überlagerungshöhe ist das Gebirge nach dieser Vorstellung im Bereich der Spannungsumlagerung bis an die Grenze seiner Tragfähigkeit beansprucht, und es ist mit großen anhaltenden Verformungen (Konvergenzen) und ggf. Abplatzungen oder Brucherscheinungen zu rechnen. Bei derartigen Verformungen kann es bereits zur Ausbildung einer Zone plastischen Materialverhaltens kommen, in der das Gebirge den Ausbau allseitig belastet. Bei der Abschätzung der Druckhaftigkeit des Gebirges werden zunächst zwei Eingangsparameter unterschiedlich diskutiert: Kann dabei die einaxiale Gesteinsdruckfestigkeit herangezogen werden oder muss die

671 17.5 · Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges

17

. Abb. 17.49  Schichtenprofilausschnitt aus dem Braunen Jura mit Darstellung der einaxialen Gesteinsdruckfestigkeiten von Tonsteinlagen, die hier teilweise niedriger sind als die rechnerische Überlagerungslast (Marquart 2004)

niedrigere Gebirgsdruckfestigkeit angesetzt werden? Reicht die Überlagerungslast σv = γ × Hü aus, oder muss die höhere Spannungskonzentration am Ausbruchrand σv* berücksichtigt werden? σv* = γ × H ü ×

D , 2

wobei Hü = Überlagerungshöhe (. Abb. 17.46). Diese Ansätze, die teilweise zu überdimensionierten Ausbaustärken geführt und in ihren Auswirkungen in der Praxis keine Bestätigung gefunden haben, wurden schon vor Jahren kontrovers diskutiert. Verschiedene Studien (s. Preh und Poisel 2009) haben gezeigt, dass selbst Druckversuche an Gesteinen nur bedingt mit der Beanspruchung des Gebirges am Ausbruchrand vergleichbar sind und dass Brucherscheinungen am ungestützten Hohlraumrand erst bei Tangentialspannungen von einem Mehrfachen der einaxialen Druckfestigkeit auftreten. Unter druckhaftem Gebirge versteht man Gesteine geringer Festigkeit, in denen bei größeren Überlagerungshöhen die Tangentialspannungen am Ausbruchsrand die Gesteinsdruckfestigkeiten überschreiten und zeitabhängige große plastische Verformungen auf den Ausbau

einwirken. Dazu gehören alle Tongesteine, die sich bei großen Druckspannungen mehr oder weniger duktil verhalten, sowie auch phyllitische Gesteine, graphitische Schiefer und alle tektonisch stark beanspruchten Schiefer- und Tongesteine, besonders wenn sie zusammen mit engständigen Trennflächen (Schieferung oder engständige Schichtung) achsparallel oder unter spitzem Winkel zur Tunnelachse verlaufen. Bei druckhaftem Gebirge sind die oben beschriebenen Lastannahmen nicht mehr anwendbar. Die Planung eines Tunnels in druckhaftem Gebirge stellt immer eine große Herausforderung dar. In der Regel ist von großen Verformungen und einer hohen Auslastung des Spritzbetonausbaus auszugehen. Ein standsicherer Ausbau des Tunnels ist erst machbar, wenn die plastischen Verformungen zu einem gewissen Grad abgeklungen sind. Durch die anfänglichen Verformungen werden die Gebirgsspannungen so weit reduziert, dass der Ausbau die verbleibenden Beanspruchungen aufnehmen kann. In der Praxis wird deshalb zunächst ein nachgiebiger Ausbau eingebracht, der erhebliche radiale Verformungen kontrolliert aufnehmen kann. Als Ausbau dienen in diesen Fällen eine in Längsrichtung geschlitzte Spritzbetonschale

672

17

Kapitel 17 · Tunnelbau

gem. 7 Abschn. 17.8.1 und ggf. nachgiebige Anker. Nachdem die Anfangsverformungen abgeklungen sind, kann der Ringschluss hergestellt werden. Von Vorteil ist eine gut ausgerundete tiefe Sohle, die eine Stabilisierung des Querschnitts und eine Reduktion der lang anhaltenden Verformungen bewirkt. Die rechnerische Ermittlung der zu erwartenden Verformungen gem. 7 Abschn. 17.5.2.2 erlangt dabei besondere Bedeutung. Die im Gebirge dabei auftretenden Spannungsumlagerungen und die Verformungen der Tunnelschale können je nach Gebirge sowohl kurzfristig (in Stunden) als auch langfristig auftreten. Sie erreichen bei flach liegenden Tunneln Größenordnungen 30–50 cm und mehr, bei tief liegenden Tunneln oft >1 m. Derartige Verformungen können auch von Sohlhebungen begleitet sein, die anfangs oft nicht erkannt werden. In den letzten Jahren haben Projekte mit druckhaftem und z. T. stark druckhaftem Gebirge allgemein deutlich zugenommen (John und Mattle 2007). Bei standfestem Gebirge und großer Überlagerungshöhe beschreiben Moritz et al. (2015) durch Überbeanspruchung bedingte Ablösungen von Kluftkörpern und plattige Abplatzungen bereits bei geringen Gesamtverformungen von 50 kN/m2 standsicher ist (Schubert et al. 2014). Bei Vorhandensein ungünstiger Trennflächenkonfigurationen sind auch Angaben über das Trennflächengefüge, über kinematisch mögliche Bruchkörper bzw. die Versagensmechanismen sowie über die Scherfestigkeit auf möglichen Gleitflächen zu machen. Die Praxis zeigt, dass Instabilitäten an der Ortsbrust kaum einmal nach theoretischen Modellen auftreten, sondern meist aufgrund ungünstig einstreichender Flächen abgeminderter Scherfestigkeit, was durch die Rechnung i. d. R. nicht abgedeckt ist. Häufig liegen die maßgebenden Flächen außerhalb der bisherigen Ausbruchlaibung und sind damit nicht bekannt. Ortsbrustversagen kündigt sich häufig (aber nicht immer) durch stärkere Verformungen, wiederholte kleine Ausbrüche bzw. nachbrechendes Gestein an. Mit den Bestrebungen, Tunnel künftig zunehmend im Vollausbruch aufzufahren, gewinnen dieser Nachweis, eine messtechnische Kontrolle der Ortsbrust (7 Abschn. 17.5.3) und die technischen Maßnahmen zur Stabilisierung der Ortsbrust (7 Abschn. 17.8.1) an Bedeutung. 17.5.5.2 Bemessungswerte für nume-

rische Berechnungen

Das Ziel der Standsicherheitsuntersuchungen für Tunnel ist es, die ausbruchsbedingten Spannungsumlagerungen im Gebirge, die daraus resultierenden Verformungen der Tunnelschale

. Abb. 17.50  Versagensmodelle der Ortsbrust bei oberflächennahen Tunnelvortrieben

674

Kapitel 17 · Tunnelbau

und an der Geländeoberfläche sowie die Belastung und Bemessung der Spritzbetonschale und die Dimensionierung der Sicherungsmittel einschließlich einer vorauseilenden Sicherung möglichst realistisch zu erfassen. Dies wird am besten mit numerischen Berechnungsmethoden erreicht. Dabei hat sich die Finite-­ Element-Methode (FEM) als Standardverfahren durchgesetzt (7 Abschn. 5.2). Grundlage dieser Rechentechnik ist eine systematische Unterteilung der Berechnungsfläche in (kleine) Elemente endlicher Größe (finite Elemente), die durch randliche Knotenpunkte miteinander verknüpft sind und deren Verhalten unter Belastung über die Knotenpunktverschiebungen ermittelt wird (. Abb. 17.51). Für geklüfteten Fels haben sich elastisch-viskoplastische Stoffmodelle bewährt. In der Praxis werden bei oberflächennahen und mitteltiefen Tunneln meist noch zweidimensionale Berechnungsverfahren verwendet, bei denen durch vereinfachte Annahmen versucht wird, das räumliche Tragverhalten näherungsweise zu erfassen (z. B. Vorentlastung, s. u.). Sofern die Stützmittel in die Rechnung einbezogen werden, können die einzelnen Steifigkeits- bzw. Festigkeitszunahmen addiert werden,

17

. Abb. 17.51  Berechnungsmodell nach der FiniteElement-Methode (aus Naumann und Prinz 1988)

wobei allerdings der jeweilige Einbauzeitpunkt zu beachten ist. Für eine wirklichkeitsnahe Erfassung des Spannungsdehnungsverhaltens von klüftigem Fels müssen neben der Gesteinsdruckfestigkeit die gegenüber dem Gestein deutlich größere Verformbarkeit und geringere Scherfestigkeit des Gebirges auf den Trennflächen berücksichtigt werden. Dazu gehört zunächst ein vereinfachter Gebirgsbau mit Angabe eines Modells des Trennflächengefüges. Hinzu kommen dann im Bedarfsfall die Kenntnis des primären Spannungszustands und Angaben zur Grundwasserströmung. Die verschiedenen Gebirgseigenschaften können beispielsweise wie folgt vereinfacht werden: 44Kleinklüftigkeit (als „verschmierte“ Steifigkeitsabminderung), 44Trennflächengefüge (z. B. Schichtung und Hauptkluftscharen), 44einzelne Großkluft- oder Störungszonen, 44Wasserdruck und Wasserströmung, 44zeitabhängige Kriech- oder Quellerscheinungen. Tektonische Störungszonen können bei der Modellierung als unterschiedlich breite und ggf. heterogen aufgebaute Zonen abgeminderter Gebirgseigenschaften dargestellt werden. Dabei sind nicht nur die Festigkeitskontraste zu beachten, sondern im Einzelfall auch eine mögliche Wasserführung. Im Allgemeinen sind folgende Kennwerte anzugeben (charakteristische Werte und untere Grenzwerte): 44Wichte des Gebirges γ (in kN/m2) 44Poissonzahl ν (bzw. Querdehnungszahl) oder 44Ruhedruckbeiwert K0 44Verformungsmodul V oder Ev (in MN/m2) 44Bettungsmodul ks (in MN/m3) 44Gesteins- bzw. Gebirgsfestigkeit qu (in MN/m2) 44Gebirgsscherfestigkeit φ, c (in °, kN/m2) 44Scherfestigkeit auf Trennflächen φs, cs bzw. φk, ck (in °, kN/m2) 44Vorentspannungsfaktor 0,3–0,5 (30–50 %)

17

675 17.5 · Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges

. Tab. 17.9  Zusammenstellung einiger Kennwerte für FE-Berechnungen aus der Literatur Unterer Muschelkalk

Oberer Muschelkalk

Unterer Keuper

engständige Wechselfolge

überwiegend Kalkstein

Wechselfolge

E [MN/m2]

50–1001)

100–4002)

400–1000

50–1001)

Gestein qu [MN/m2]

0,5–101)

5–502)

20–100

5–30

Trennflächen

Schichtung

Klüftung

Schichtung

Klüftung

Schichtung

Klüftung

φ [°]

15–20

25–30

20–25

30–35

15–30

20–25

c [kN/m2]

0

0–10

0–10

0–20

0–10

0–30

100–3002)

1) Fels mürbe, entfestigt 2) Fels gesteinshart, unverwittert

Häufig werden allerdings nur die folgenden Kennwerte verwendet (. Tab. 17.9): 44Gesteinsdruckfestigkeit qu (in MN/m2) 44Gebirgsmodul (E-Modul) (in MN/m2) 44Trennflächenscherfestigkeit φs, cs; φk, ck (in ° bzw. kN/m2) Im Bereich der Auflockerungszone über und um den Tunnel sind ggf. abgeminderte Kennwerte anzusetzen. Die Parameter sollten im Zuge der Bauausführung überprüft und auf der Grundlage von Rückrechnungen anhand der Verformungsdaten angepasst werden („back analysis“). Ein weiterer Begriff für die Tunnelstatik ebener Systeme ist die Vorentlastung bzw. Vorentspannung. Darunter versteht man einerseits den Lastanteil, der als Folge der räumlichen Spannungsumlagerung im Bereich der Ortsbrust wegfällt, und andererseits die vorweggenommenen Verformungen durch den Abbau des Porenwasserdrucks, die beide den Spritzbetonausbau nicht mehr belasten. Dieser Effekt der Vorentlastung wird bei zweidimensionalen Berechnungsverfahren durch eine Abminderung der Stützkräfte (Stützlastverfahren) bzw. durch eine E-Modul-Reduktion (Stützkernverfahren) in die Tunnelstatik eingebracht. Die Angabe der Vorentspannung erfolgt über den Abminderungsfaktor (auf etwa 0,5–0,8). Er hängt ab vom Gebirgsverhalten, von der Vortriebsart bzw. Abschlagslänge (beide bedingen Vorverformung; keine Vorverformung bedeutet einen Faktor „0“ mit nur

geringen Spannungsumlagerungen), der Dicke und dem Zeitpunkt des Einbaus der Spritzbetonschale. Durch eine höhere Vorentspannung ergeben sich geringere Ausbauwiderstände bzw. eine geringere Beanspruchung der Spritzbetonschale und somit nominell höhere Sicherheiten, die aber nicht für das Gesamtsystem Ausbau/ Gebirge gelten. Auch bei der Anwendung numerischer Berechnungsmethoden muss man sich darüber im Klaren sein, dass trotz des rechnerischen Aufwands keine absoluten Rechenergebnisse erwartet werden dürfen. Der Grund sind die mehr oder weniger unzureichend bekannten Stoffgesetze, die Streuung der Eingangsparameter sowie das Problem, das räumliche Tragverhalten und die einzelnen Ausbruchsfolgen rechnerisch zu erfassen. In die Berechnung gehen zunächst charakteristische Gebirgskennwerte ein. Die dabei erzielten Ergebnisse weisen hinsichtlich der Einwirkungen auf den Ausbau oft noch große Ungenauigkeiten auf, während die Setzungsangaben wenig Streuung zeigen. Legt man in Parameterstudien untere Kennwerte bzw. deren ungünstigste Kombination zugrunde, so ist ein rechnerischer Nachweis oft nicht mehr möglich bzw. ergibt völlig unwirtschaftliche Abmessungen, die außerhalb aller Erfahrungen liegen. Lokal begrenzte Schwachstellen im Gebirge, die häufig zu kritischen Bauzuständen führen, können mit statischen Berechnungen i. d. R. nicht erfasst werden. Dementsprechend sollten Erfahrung und Messung sowie

676

Kapitel 17 · Tunnelbau

konstruktive Maßnahmen vor Ort neben den Berechnungen gleichrangig bewertet werden. 17.5.5.3 Annahmen für die Innen-

schale

17

Beim Tunnelbau unterscheidet man drei Phasen: den Vortrieb, die Ausbruchsicherung und die Herstellung der Innenschale. Die Herstellung der Innenschale erfolgt entweder durch einen einschaligen Ausbau in Spritzbeton (Kavernen, Rettungsstollen, seltener Verkehrstunnel) bzw. bei einem maschinellen Vortrieb mit Tübbingen oder durch einen zweischaligen Ausbau mit einer gebirgssichernden temporären Außenschale (Spritzbeton) und einer tragenden Innenschale aus bewehrtem oder unbewehrtem Schalbeton mit oder ohne Abdichtung. Bei bewehrten Innenschalen kann die Dichtung sowohl durch wasserundurchlässigen Beton (WUB-Konstruktion, 7 Abschn. 10.3) als auch durch eine auf die Außenschale aufgebrachte Kunststoffdichtungsbahn (KDB) erreicht werden (7 Abschn. 17.2.5.4). Ein einschaliger Spritzbetonausbau setzt sich zusammen aus dem primären Sicherungsspritzbeton und ein oder zwei Lagen Ausbauspritzbeton als innere Verkleidung (Williams et al. 2004). An den Spritzbeton für die Innenschale werden erhöhte Anforderungen gestellt, u. a. ein gutes Haftvermögen auf der Abdichtungsfolie. Bei der zweischaligen Bauweise ist für die Bemessung der Innenschale i. d. R. davon auszugehen, dass zum Zeitpunkt ihres Einbaus die Verformungen im Gebirge zur Ruhe gekommen sind und der Grundwasserspiegel abgesenkt ist. Die Innenschale wird zunächst spannungsfrei in die Spritzbetonschale eingebaut. Sie bekommt erst Last, wenn das Grundwasser wieder ansteigt und wenn die Außenschale durch Betonkriechen und Festigkeitsverluste (z. B. infolge aggressiven Grundwassers) mit der Zeit ihre Tragfähigkeit verliert und dadurch die ursprünglich von der Außenschale aufgenommenen Lasten auf die Innenschale übergehen. Hinzu kommt ein möglicherweise erhöhter Gebirgsdruck als Folge tertiärer Spannungszustände (Kriechdruck, Quelldruck) oder durch den Ausfall (Korrosion) von Ankern.

Für die Abschätzung der Belastung auf die Innenschale geht man i. d. R. zunächst davon

aus, welche Lasten auf die Ausbruchsicherung (Spritzbetonschale) gewirkt haben und ob die Deformationen dabei schadensfrei geblieben sind. Einzelne schmale Störungszonen müssen dabei nicht gesondert betrachtet werden. Bei abweichendem Deformationsverhalten oder bei ungünstig verlaufenden Großklüften, die ggf. asymmetrisch einwirkende Belastungskörper begrenzen, oder in massiven Störungszonen ist ein besonderer Lastfall anzunehmen, dessen Lastbild auf die Innenschale auf der Basis der in 7 Abschn. 17.5.2.2 genannten Parameter ermittelt werden muss. Zu den Einwirkungen aus dem Gebirge kommen noch weitere Lastfälle aus dem Betrieb und den Temperaturdifferenzen. Für den Wasserdruck ist das Dränsystem (7 Abschn. 17.2.5.4) bzw. die hydrostatische Druckhöhe maßgebend (Bemessungswasserstand, 7 Abschn. 17.2.5.2). Die Frage, ob die Einwirkungen aus Gebirgsdruck und Wasserdruck bei der Bemessung addiert werden müssen, hängt vom Einzelfall ab (Schuck 2005). Tunnelauskleidungen in Schalbeton werden i. d. R. mit einem mechanisch und hydraulisch klapp- und verfahrbaren Schalwagen, getrennt für die Sohle und das Gewölbe, in Blocklängen von 8–12 m hergestellt, die durch Dehnfugen getrennt sind. 17.6 Bauweisen

Im Tunnelbau werden einerseits die offenen und halboffenen Bauweisen, andererseits die geschlossenen oder bergmännischen Bauweisen unterschieden, Letztere mit konventionellem oder zyklischem bzw. maschinellem und kontinuierlichem Vortrieb mittels Tunnelvortriebsmaschinen. Absenktunnel, deren bis über 200 m lange Einzelsegmente an Land hergestellt und in einen vorher ausgehobenen Graben auf dem Meeresgrund abgesenkt werden, sollen hier nicht weiter behandelt werden.

677 17.6 · Bauweisen

17.6.1

Offene und halboffene Bauweisen

Für die Herstellung von Tunneln in offener oder halboffener Bauweise gibt es verschiedene Konstruktionsmöglichkeiten, die von den örtlichen Gegebenheiten, der Baugrundsituation und den Grundwasserverhältnissen abhängig sind (. Abb. 17.52). Derartige Projekte sind schon bei der Erkundung wie lang gestreckte Baugruben zu behandeln, mit entsprechenden Bohrpunktabständen (25–50 m; DIN 4020) und einem dem Untergrundaufbau angepassten Untersuchungsprogramm (Kennwerte). An rutsch- oder kriechverdächtigen Hängen sind rechtzeitig (vorab) Bewegungsmessungen in Bohrlöchern vorzusehen (Inklinometer 7 Abschn. 4.8.4). Tunnel in offener Bauweise bestehen aus Gewölbequerschnitten oder ein- oder zweizelligen Rechteckrahmenquerschnitten (Stahlbetonrahmen) und werden in geböschter Baugrube oder im Schutz von Verbauwänden hergestellt. Sie gelten nach DIN 1054 als „im Boden eingebettete Bauwerke“. Der Baugrubenverbau erfolgt gem. 7 Abschn. 9.3. Bei eingeschütteten Tunneln mit ungleich hohen Einschnittsböschungen

17

sind die asymmetrischen Beanspruchungen zu beachten. Die Stützung der Verbauwände erfolgt üblicherweise mit Verpressankern (7 Abschn. 9.5), ggf. kombiniert mit Steifen. Letztere werden i. d. R. oberhalb und als sog. Stützsohle unterhalb der etwa 10 m hohen Tunnelblöcke angeordnet. Die aussteifende Sauberkeitsschicht kann nötigenfalls im Schutz von Wandersteifen eingebracht werden. Wenig nachgiebig gestützte Baugrubenwände (7 Abschn. 9.3) werden i. d. R. auf aktiven Erddruck bemessen und die Anker auf mindestens 80 % der rechnerischen Last vorgespannt. Baugrubenwände im Einflussbereich von Bauwerken werden zumindest als annähernd unnachgiebig gestützte Baugrubenwände ausgeführt und auf erhöhten aktiven Erddruck bemessen. Bei Bauweisen mit Arbeitsraum ist als Lastfall „größter Erddruck“ der Verdichtungsdruck anzusetzen (7 Abschn. 5.6.2). Während der Bauausführung sind der Untergrundaufbau und die Rechenansätze durch ingenieurgeologische Aufnahme der Wandbereiche und baubegleitende Kontrollmessungen zu überprüfen. Bei Baumaßnahmen im Grundwasserniveau sind eine Beobachtung der

a)

b)

c)

d)

. Abb. 17.52  Schematische Darstellung der offenen und halboffenen Bauweise: a. offene Bauweise in geböschter Baugrube; b. offene Bauweise mit Baugrubenverbau; c. Deckelbauweise; d. Deckel auf Bohrpfählen

678

17

Kapitel 17 · Tunnelbau

Grundwasserstände und begleitende Setzungsmessungen angrenzender Bauwerke vorzusehen. Beim Bauen im Grundwasser wird eine Grundwasserabsenkung, auch nur für die Bauzeit, immer seltener genehmigt, sodass die Arbeiten ggf. im Schutz einer wasserdichten Baugrube mit Unterwasserbetonsohle, Injektionssohle oder anderen Sonderverfahren vorzunehmen sind (7 Abschn. 9.4.3 und 10.3 sowie ggf. ÖVBB-Merkblatt Unterwasserbetonsohlen 2005). In der Regel werden Tunnel in offener Bauweise als wasserundurchlässige Betonkonstruktionen (WUB-KO) ohne oder mit außen liegender Abdichtung hergestellt. Bei stärker den Beton angreifendem Grundwasser wird eine Abdichtung notwendig. Konstruktionen im Grundwasserniveau dürfen die natürliche Grundwasserströmung nicht beeinträchtigen (7 Abschn. 11.7). Bei der halboffenen oder Deckelbauweise erfolgt der Aushub nur bis in das künftige Firstniveau (. Abb. 17.52). Darauf wird die bewehrte Deckelkonstruktion betoniert, und zwar entweder als aufgelegter Deckel oder – bei nicht ausreichend tragfähigem Untergrund – mit einer beidseitigen pfahlartigen Auflagerkonstruktion. Der Deckel wird teilweise oder ganz eingeschüttet und anschließend der bergmännische Vortrieb im Schutz des Deckels vorgenommen. Im Grundwasserniveau kann die Deckelbauweise auch unter Druckluft ausgeführt werden (7 Abschn. 17.2.5.5 und Frühauf und Scholz 2005). Wo in städtischen Bereichen der Straßenverkehr zumindest teilweise aufrechterhalten werden muss, kann die sog. Halbdeckelbauweise zum Einsatz kommen. Der Voraushub und die Herstellung des Deckels werden in zwei Hälften vorgenommen, damit jeweils eine Straßenhälfte für den Verkehr zur Verfügung steht (Reichle und Rotermund 2006). 17.6.2

Konventioneller bergmännischer Vortrieb

Beim konventionellen oder universellen Vortrieb erfolgen die einzelnen Arbeitsvorgänge zeitlich nacheinander. Der Bauvorgang besteht im

Wesentlichen aus einem schrittweisen maschinentechnisch- oder sprengtechnisch unterstützten Ausbruch und umgehender Sicherung der Ausbruchslaibung mit schnell härtendem Spritzbeton, dessen Tragwirkung durch Stahlbögen, Bewehrungsmatten und Anker verstärkt und nötigenfalls durch weitere Bauhilfsmaßnahmen unterstützt werden kann. Ein konventioneller Vortrieb in Spritzbetonbauweise zeichnet sich durch eine große Anpassungsfähigkeit an wechselnde Gebirgsverhältnisse und auch an unterschiedliche Querschnittsformen aus. Der Vortrieb erfolgt in gut standfestem Gebirge im Vollausbruch (z. B. Rennsteigtunnel, Ausbruchquerschnitt 90 m2, h = 9 m), sonst meist durch Unterteilung des Ausbruchquerschnitts nach den örtlichen Gebirgsverhältnissen in Kalotte, Strosse und Sohle. Die Entscheidung, ob Voll- oder Teilausbruch, ist abhängig von: 44der Querschnittsgröße und den verfügbaren Lösegeräten sowie 44günstigen und gleichmäßigen Gebirgsverhältnissen, die eine standsichere Ortsbrust ermöglichen. Die Kriterien für die Entscheidung über Volloder Teilausbruch werden von Gamper (2014), Putz-Perrier et al. (2014) und Schubert et al. (2014) umfassend diskutiert. Die Gesamtverformungen eines Vortriebs sind bei Vollausbruch i. d. R. geringer als bei Teilausbrüchen. Entscheidend dafür sind ein rascher Ringschluss und die dadurch bedingte Stabilisierung des Querschnitts. Je nach Gebirgsverhältnissen und der Höhe des Wasserdrucks kommen bei bergmännischen Vortrieben unterschiedliche Sohlausbildungen zur Anwendung (. Abb. 17.53): 44offene oder geschlossene Sohle, (Sohlplatte) 44flaches oder tiefes Sohlgewölbe 44Kreisquerschnitt Der Sohlstich eines Sohlgewölbes wird als das Verhältnis Sohlstich/Tunnelbreite ausgedrückt, das zwischen 0,15 (flaches) bis 0,25 (tiefes Sohlgewölbe) liegt.

17

679

4.86 8.16

4.86

2.45

40

40

50

3.50

4.25

9.16

9.91

4.86

40

40

35

17.6 · Bauweisen

40

5.42

5.42

40

11.64

35

5.42

5.42

35

11.54

. Abb. 17.53  Regelquerschnitte mit flachem oder tiefem Sohlgewölbe und mit Bankett

In den Querschnittsunterteilungen lassen sich die Prinzipien der alten klassischen Tunnelbauweisen erkennen (Kalottenvortrieb = belgische Unterfangungsbauweise, Ulmenstollen = deutsche Kernbauweise). Unter dem Begriff Spritzbetonbauweise werden alle bergmännischen Tunnelbaumethoden verstanden, bei denen der Spritzbeton ein wesentliches Element der Hohlraumsicherung darstellt. Die Spritzbetonbauweise beruht auf einem halbempirischen Sicherheitskonzept (7 Abschn. 17.5.4). Die Dicke der Spritzbetonschale als vorläufiger Ausbau wird den erwarteten Gebirgs- bzw. Ausbruchsklassen entsprechend vorab festgelegt. Die Beschreibung und die Einteilung der Gebirgs- bzw. Ausbruchsklassen sowie die Festlegung der systematischen Stützmaßnahmen erfolgen auf der Grundlage der Voruntersuchungen. Die Standsicherheit der Spritzbetonschale wird in einer Vorbemessung untersucht und beim Vortrieb durch geotechnische Messungen kontrolliert. Entscheidend für die Beurteilung der Standsicherheit ist der Nachweis abklingender begrenzter Verformungen. Reichen die Regelausbaumittel zur Gewährleistung der erforderlichen Sicherheit nicht aus, können je nach Erfordernis zusätzliche gebirgsverbessernde Maßnahmen, wie z. B. Vorausentwässerung oder Injektionen, angeordnet werden. Nach einer gewissen Standzeit des Spritzbetonausbaus wird nach Aufbringen der Isolierung die Innenschale in Ortbeton eingebaut.

. Abb. 17.54  Schematische Darstellung eines Vollausbruchs (1) mit Sohle (2) und einer Unterteilung des Ausbruchquerschnitts in Kalotte (1), Strosse (2) und Sohle (3), jeweils mit dem Vorlauf der Ortsbrust bzw. Kalotte vor dem Strossen- und Sohlausbruch

Das Ausbruchsschema ist in . Abb. 17.54 dargestellt. Der Vorlauf des Kalottenausbruchs gegenüber dem Strossen- und Sohlausbruch ist von der Standfestigkeit bzw. vom Verformungsverhalten abhängig. In gebrächem Gebirge wird der Nachlauf des Strossen- und Sohlausbruchs auf eine Länge von 150–50 m begrenzt. In verformungsempfindlichem, wenig standfestem Gebirge tragen ein verkürzter Nachlauf und ein schneller Ringschluss wesentlich zur Reduzierung der Setzungen, insbesondere auch der Senkungen an der Geländeoberfläche bei. Diese Bauweise wird außer bei den kleineren Querschnitten der U-Bahn-Bauten, auch bei tief liegenden Verkehrstunneln eingesetzt. Entscheidend ist, dass die Ringschlusszeit in Anpassung an das Tragverhalten des Gebirges möglichst kurz gehalten wird.

680

Kapitel 17 · Tunnelbau

First stollen Strosse Sohle

1

3

2

4

. Abb. 17.55  Auflösung des Ausbruchquerschnitts in eine geteilte Kalotte (rechts) und durch einen voreilenden Firststollen

Lassen der größere Querschnitt und das Gebirgsverhalten keinen Kalottenausbruch zu, so muss auf kleinere Teilquerschnitte umgestellt werden. Bewährt haben sich in solchen Fällen eine geteilte Kalotte, ein voreilender Firststollen oder ein Ulmenstollenvortrieb. Ein voreilender Ulmenstollenvortrieb dient außerdem zur Vorausentwässerung des Gebirges für die restlichen Ausbrucharbeiten. Eine geteilte Kalotte oder ein Firststollenvortrieb (. Abb. 17.55) sind sehr anpassungsfähige Bauverfahren, die bei wechselnden Gebirgsverhältnissen relativ kurzfristig eine Umstellung von Kalotten- auf Firststollenvortrieb und umgekehrt ermöglichen (Maidl und Stein 2002). Der Firststollen wird vollflächig oder mit abgestufter Ortsbrust aufgefahren und erhält eine Spritzbetonsicherung und ggf. einen längsbewehrten Firstbalken aus Spritzbeton. Der Vortrieb kann dem Auffahren der Restkalotte um 30–40 m vorauseilen und dient dabei der Erkundung schwieriger Gebirgsverhältnisse.

Die verhältnismäßig kleinen (20–40 m 2) spitzbogenförmigen Ulmenstollenvortriebe (. Abb. 17.56) können in fast jedem Gebirge vorgetrieben werden. Nachfolgend kann das Kalottengewölbe auf nötigenfalls durch gebirgsverbessernde Maßnahmen gesicherte Kämpfer abgesetzt werden. Auch ein Ulmenstollenvortrieb kann weiter unterteilt werden in Ulmenkalotte, -strosse und -sohle, und es können im Bedarfsfall weitere stabilisierende und setzungsmindernde Maßnahmen wie Ortsbrustsicherung oder ein Rohrschirm getroffen werden (Heissenberger et al. 2008). Beim Aushub des Kerns ist aus statischer Sicht ein möglichst rascher Ringschluss des Gesamtquerschnitts herzustellen. Ein kritischer Bauzustand, der einer sorgfältigen Ausführung und besonderen messtechnischen Kontrolle bedarf, ist der Sohlaushub des Gesamtquerschnitts, bei dem es zu einer Sohlhebung im Kern und zu einer Rotation der Ulmenstollen kommen kann. Auch der Abbruch der Innenulmen, insbesondere der unteren Ulmenstiele, sowie das spätere Entfernen der Sohleinfüllung stellen einen kritischen Bauzustand dar (Gattermann und Hirsch 2001). Bei einem Ulmenstollenvortrieb wechseln in Abhängigkeit von den Bauzuständen die Beund Entlastungsbereiche. Die Gesamtsetzungen können i. d. R. auf ein verträgliches Maß reduziert werden, wobei erfahrungsgemäß etwa ⅔ der Gesamtsetzungen bereits während der

17

. Abb. 17.56  Ulmenstollenvortrieb mit voreilenden Ulmenstollen

681 17.6 · Bauweisen

Ulmenstollenvortriebe eintreten (Heissenberger et al. 2008). Zeichnet sich ein solcher Ablauf der Setzungen nicht ab, so liegen meist besonders gestörte Gebirgsverhältnisse vor, die bereits beim Auffahren der Ulmenstollen erkannt werden sollten, um für den nachfolgenden Kernausbruch ggf. zusätzliche Sicherungsmaßnahmen vorsehen zu können (z. B. ein Rohrschirm und lange Ortsbrustanker). Bei einem Ulmenstollenvortrieb ist die Umstellung von Kalottenausbruch auf Ulmenstollen und umgekehrt relativ aufwendig. Die Entscheidung für einen Ulmenstollenvortrieb muss daher schon frühzeitig getroffen werden. Inhomogene Gebirgsverhältnisse, die für Teilausbrüche in den Ulmenstollen Sprengarbeit erfordern, bedeuten eine erhebliche Störung des Arbeitsablaufs. 17.6.3

Teilschnittmaschinen

8–10 m

Teilschnittmaschinen (TSM) weisen einen nach allen Seiten schwenkbaren Arm mit Fräskopf auf, der mit unterschiedlichen Schneid- und Fräswerkzeugen bestückt ist (. Abb. 17.57). Die Fräsbarkeit des Gebirges, und zwar sowohl die Fräsleistung als auch der Meißelverbrauch sind – außer von der meist immer noch an erster Stelle genannten Gesteinsdruckfestigkeit – sehr stark von der Abrasivität und Zähigkeit der Gesteine und dem Trennflächengefüge abhängig. Außerdem sind auch ein ständiger Gesteinswechsel (hart – weich) und besonders dickere Hartsteinlagen sowie ein möglicher Wasserzufluss zu beachten.

10–12 m . Abb. 17.57  Schematische Darstellung einer Teilschnittmaschine

17

Gut fräsbar sind Kalkmergelsteine und nicht zu harte Sandsteine, weniger dagegen viele metamorphe geschieferte Gesteine. Die technische Grenze der mit Teilschnittmaschinen noch wirtschaftlich beherrschbaren Gesteinsdruckfestigkeiten liegt nach Lammer und Gehring (1998) je nach Maschinengröße bei 120–140 MN/m2. Maßgebend sind dabei die Maximalwerte der härteren Zwischenlagen (Plinninger et al. 2001, 2012a; Plinninger 2011; Plinninger und Palla 2013). Hohe Gesteinsfestigkeit führt auch bei nichtsilikatischen Gesteinen (z. B. Kalkstein) zu sinkenden Vortriebsleistungen sowie hohen Verschleißkosten und kann zu einer Umstellung der Vortriebsmethode zwingen. Weitere einschränkende Kriterien für einen Einsatz von Teilschnittmaschinen sind die beim Fräsen auftretende Staubentwicklung, besonders bei quarzhaltigen Gesteinen (Kieser 2000), sowie die Schlammbildung und Klebrigkeit beim Fräsen toniger Gesteine bei Wassereinfluss (7 Abschn. 17.2.9). Die Staubentwicklung kann durch Bedüsungssysteme vermindert werden. Durch die Schlammbildung wird auch die Deponierbarkeit des Ausbruchmaterials beeinträchtigt. Diese einschränkenden Kriterien zeigen, dass auch bei Einsatz einer Teilschnittmaschine die geomechanischen Eigenschaften des Gebirges umfassend und zielgerichtet erkundet werden müssen. TSM-Vortriebe gelten als erschütterungsfreies Vortriebsverfahren, bei denen an der Geländeoberfläche i. d. R. keine messbaren Erschütterungen auftreten (Plinninger und Palla 2013). 17.6.4

Tunnelvortriebsmaschinen

Ein Vortrieb mit Tunnelvortriebsmaschinen (TVM) bedingt einen kreisförmigen Querschnitt. Der Ausbruch ist gebirgsschonend und profilgenau. Bei größeren Tunnellängen und einer Anpassung des Maschinentyps an die Gebirgsverhältnisse verkürzt ein maschineller Vortrieb die Bauzeit im Vergleich zur Spritzbetonbauweise ganz erheblich. Eine Tunnelvortriebsmaschine besteht aus dem Maschinenbereich (mit Bohrkopf und dem

682

Kapitel 17 · Tunnelbau

. Abb. 17.58  Übersicht über die Tunnelvortriebsmaschinen nach der DAUB-Empfehlung 2010, gekürzt

17

Arbeitsbereich der Maschine) und dem Nachläufersystem, auf dem sich die wesentlichen Installationen zum Betrieb der Maschine befinden. Die Gesamtlänge einer TVM beträgt 100–250 m, z. T. mehr. Bezüglich des Einsatzes von TVM wird auf die DAUB-„Empfehlungen zur Auswahl von Tunnelvortriebsmaschinen“ (Tunnelbautaschenbuch 2011), sowie auf die ÖNORM B 2003-2 (2005) und auf die ÖGG-Richtlinie für die geomechanische Planung von Untertagebauarbeiten – kontinuierlicher (maschineller) Vortrieb (2003) verwiesen. Einen Überblick über die TVM gibt . Abb. 17.58. Der Einsatz von TVM setzt mehr noch als konventionelle Vortriebsmethoden eine sorgfältige und umfassende ingenieurgeologische und geotechnische Erkundung und Beratung voraus. Art und Umfang der Erkundung sind auf die zu erwartenden Gebirgseigenschaften abzustimmen. Mit Ausnahme mürber, stark nachbrüchiger oder leicht druckhafter Gebirgsarten, bei denen das Gebirgsverhalten maßgebend ist, ist hier in erster Linie das Löseverhalten zu nennen.

Die Ergebnisse der Erkundung werden in einem Anforderungsprofil beschrieben und in einer Vortriebsklassenmatrix zusammengefasst. Das Anforderungsprofil muss möglichst alle maschinen- und verfahrenstechnischen Erschwernisse umfassen: 44Gesteins- bzw. Gebirgsdruckfestigkeit 44Bohrbarkeit, Abrasivität, Verschleiß- und Verklebungstendenz 44Ausbildung tektonischer Störungszonen (Gebirgszerlegung, -entfestigung) sowie ihre Breite, Lage zum Bauwerk und Häufigkeit 44Zonen mit Gebirgsauflockerung oder starker Gebirgsentfestigung, druckhaftes bzw. konvergierendes Gebirgsverhalten 44Ortsbruststabilität, Blockigkeit des Gebirges, Herausbrechen von Blöcken oder Kluftkörpern an der Ortsbrust oder über der Maschine, nachbrüchiges Gebirgsverhalten, Gefahr des Verklemmens der Maschine 44heterogene Ortsbrustverhältnisse oder Hindernisse aller Art wie Findlinge oder Hartgesteinseinlagerungen

683 17.6 · Bauweisen

17

. Tab. 17.10  Vortriebsklassen für Tunnelbohrmaschinen und Schildmaschinen nach DIN 18 312: 2010 Vortriebsart

Vortriebsklasse

Merkmale

Tunnelbohrmaschinen (TBM)

TBM 1

Ausbruch ohne Sicherung

TBM 2

Ausbruch mit einer Sicherung, deren Einbau das Lösen nicht behindert

TBM 3

Ausbruch mit einer Sicherung, deren Einbau das Lösen behindert

TBM 4

Ausbruch mit einer Sicherung, für deren Einbau das Lösen unterbrochen werden muss

Schildmaschinen im Vollschnittabbau (VS)

Für die Einteilung der Vortriebsklassen bei Schildmaschinen sind die Art der Ortsbruststützung und das nicht behinderte bzw. behinderte Lösen entscheidend. Einbringen der vorläufigen oder endgültigen Sicherung als geschlossener Ring im Schutze des Schildes. Umstellen der Verfahrenstechnik ist generell nicht möglich. VS 1

Ausbruch ohne Stützung der Ortsbrust

VS 2

Ausbruchflüssigkeit mit gestützter Ortsbrust

VS 3

Ausbruch mit erddruckgestützter Ortsbrust

(bes. Mixed-face-Bedingungen bzw. Mischbrustverhältnisse Festgestein/ Lockergestein) 44Wasserführung, Wasserdruck, Durchlässigkeit auch einzelner Schichten bzw. Kluftoder Störungszonen, Zutrittsmengen (Ort und Menge), Wasserchemismus 44hohe Gebirgsdurchlässigkeit, offene Klüfte, Spaltenbildung, Karsthohlräume 44etwaige Gasaustritte (CO2, CH4) 44Fließsandschichten, 44Setzungsempfindlichkeit von Gebirge und angrenzender Bausubstanz, Begrenzung der Setzungen (20 mm, max. 30 mm) Die DIN 18 312: 2015 enthält außer den Homogenbereichen sehr allgemein gehaltene

Ausbruchklassen für Tunnelbohrmaschinen

(Klassen TBM 1–TBM 4) und auch für Schildmaschinen im Vollschnittabbau (Klassen VS 1–VS 3) bzw. im Teilschnittabbau (TS

1–TS 3). Die Klassen für Schildmaschinen sind allein nach der Ortsbruststützung eingeteilt (. Tab. 17.10). Die DAUB-Empfehlung erweitert die Klassen für Schildmaschinen mit Vollschnittabbau auf die Klassen SM-V1–SM-V5, die aber den heutigen Möglichkeiten einer Anpassung des Maschinentyps an die Untergrundverhältnisse auch nicht mehr gerecht werden, selbst wenn Erschwernisse und besondere Maßnahmen durch ergänzende Hinweise berücksichtigt werden. Als Vereinfachung findet man auch folgende zwei Vortriebsklassen (VK): 44VK 1 = offener Modus, Materialaustrag über Förderband, keine aktive Ortsbruststützung, 44VK 2 = geschlossener Modus, Materialaustrag über Förderschnecke oder Pumpe, aktive Ortsbruststützung bis zu x bar. Die Art der Ortsbruststützung bleibt dem Bieter überlassen.

684

17

Kapitel 17 · Tunnelbau

Die Ausbruchklassen nach der Schweizer SIANorm 198 (2007) basieren auf der Behinderung des Vortriebs durch die Sicherungsarbeiten (AK I–AK V), zusätzlich ist eine AK T für einen sofort und durchgehend einzubringenden geschlossenen Tübbingausbau aufgenommen. Für die Kalkulation und die Abrechnung auf Basis der AK wird die Bohrbarkeit herangezogen. Diese wird durch fünf Bohrklassen ausgedrückt. Die Bestimmung der Bohrklassen erfolgt über die Penetration bei Testhüben während des Vortriebs. Verschleiß ist bis CAI 4,0 einzurechnen. Darüber hinaus können Zuschläge vereinbart werden. Die DAUB-Empfehlung 2010 beschreibt die Einsatzmöglichkeiten der TVM für die einzelnen Maschinentypen. Außer der Gebirgsbeschreibung und den für den Vortrieb maßgebenden Einflussgrößen sind dabei auch die Risikofaktoren (Risikodefinition mit Gefährdungsbildern 7 Abschn. 17.2.2 und Schmid 2006) sowie Maßnahmen zu deren Bewältigung aufzuzeigen. Das Einstreichen harter Schichtglieder oder von tektonischen Störungszonen sind in Längs- und Querschnitten darzustellen. Wechselnde Ortsbrustverhältnisse aus Locker- und Festgesteinen, auch unterschiedliche Verwitterung oder Nachbrüchigkeit des Gebirges stellen sehr anspruchsvolle Einsatzbedingungen für Schildmaschinen dar (Thewes 2004; Rogowski 2005). Nachbrüchiges Gebirge kann mit Vortriebsmaschinen mit Schild noch einigermaßen beherrscht werden (Schneider et al. 2007). Schwieriger wird es in druckhaften Gebirgsarten mit zu erwartenden Verformungen bis in den Dezimeterbereich. Ein kritischer Zustand ist dabei ein möglicher Stillstand der Maschine, wobei sich der Steuerspalt schließen und es zu einem Einklemmen des Schildmantels kommen kann (s. Wittke und Wittke-Gattermann 2006). Druckhafte Gebirgsverhältnisse (7 Abschn. 17.5.5.1), bei denen Hohlraumverformungen von einigen Dezimetern erwartet werden, können mit einer Schild-TBM nur sehr schwer beherrscht werden, oder sie gelten gar als Ausschlusskriterium (John und Mattle 2007; Gütter 2007). Schildmaschinen haben daher in stark nachbrüchigem oder druckhaftem Gebirge Nachteile gegenüber offenen

Maschinen, die besser an die Situation angepasst und bei denen im Bedarfsfall leichter zusätzliche Stützmittel eingebracht werden können ( 7 Abschn. 17.6.4.1 ). Dies gilt auch für tiefe (Hochgebirgs-)Tunnel mit konvergierenden, mehr oder weniger druckhaftem Gebirge und auch Störungszonen mit hohen Wasserdrücken, in denen offene TVM dank angepasster Methoden der Gebirgssicherung und -verbesserung besser geeignet sind als Schildmaschinen oder auch konventionelle Vortriebe (Home und Jordan 2015). Über den Einsatz einer TBM in Gebirge mit erheblichen Deformationen und auch Sohlhebungen berichten Flury und Priller (2008) sowie Wagner et al. (2009). Ist eine TBM endgültig festgefahren, so muss das Gebirge durch Injektionen verfestigt und der Bohrkopf durch Überfirsten oder durch einen Seitenstollen bzw. einen Gegenvortrieb freigelegt werden (Muff et al. 2006). Ehrbar et al. (2013) berichten über die beim Vortrieb des Gotthard-Basistunnels aufgetretenen Schwierigkeiten beim Durchfahren größerer Störungszonen unter Wassereinfluss, die zu Verbrüchen und Bohrkopfblockierungen geführt und umfangreiche Maßnahmen zum Freilegen der Vortriebsmaschine erforderlich gemacht haben (s. a. John et al. 2016). Weltweit gab es bei TVM-Vortrieben eine Reihe von spektakulären Fehlschlägen, die i. d. R. auf nicht erkannte geologische Schwierigkeiten und ungeeignete Vortriebskonzepte zurückzuführen waren (Schneider et al. 2005; Reiner 2006). Die geologisch bedingten Problembereiche waren in den meisten Fällen ein nachbrüchiges oder leicht druckhaftes (duktiles) Gebirge, große Störungszonen sowie Bergschlagerscheinungen. 17.6.4.1 Hartgesteins-TBM

Die klassischen Tunnelbohrmaschinen werden als offene TBM oder Gripper-TBM bezeichnet. Sie haben keine aktive Ortsbruststützung und keinen oder nur einen kurzen Schutzschild (Bohrkopfschild). Offene TBM (TBM-O) werden i. d. R. nur in standfesten Gebirgsarten eingesetzt werden. Die Anpresskraft auf den Bohrkopf wird im Normalmodus über seitliche

685 17.6 · Bauweisen

Verspannplatten, die sog. Gripper, aufgebracht, was eine Gebirgsfestigkeit von >100 NM/m 2 erfordert. Der kritische Trennflächenabstand wird bei Gripper-TBM mit 0,5–0,6 m angegeben, was etwa einem RQD-Index von 50 % entspricht, der in unseren tektonisch stark beanspruchten Mittelgebirgen meist erreicht ist. Bei mürben Gesteinsarten kann der erforderliche Anpressdruck die Gebirgsfestigkeit überschreiten, und der Bohrkopf kann um Zentimeter- bis Dezimeterbeträge absacken. Der Vorteil offener TBM ist die Zugänglichkeit des Gebirges unmittelbar hinter dem Bohrkopf entweder für das Setzen der Stahlbetontübbinge oder einer sofortigen Spritzbetonsicherung, nötigenfalls kombiniert mit Ankerung oder Injektionen. Eine mechanisierte Bogensetzeinrichtung, ein hydraulisches Ankerbohr- und -setzgerät für bis zu 4 m lange Anker sowie separate Sondier- und Injektionsbohrgeräte gehören praktisch zur Standardausrüstung einer modernen TBM (. Abb. 17.59). Mit den Sondier- und Injektionsbohrgeräten und entsprechenden Öffnungen im Schildmantel können auch vorauseilende Erkundungsbohrungen oder Bohrungen für einen Spießschirm bzw. für Injektionen zur Gebirgsverbesserung oder zur Begrenzung von Wasserzufluss vorgenommen werden (Ramoni 2016). Falls längere Vorausbohrungen auch unter Wassereinfluss erforderlich werden, 7 Abschn. 17.2.4.3.

17

Einen wesentlich größeren Einsatzbereich haben Hartgesteins-TBM mit Schild und ohne aktive Ortsbruststützung (TBM-S), bei denen der Maschinenbereich durch einen Schildmantel vor Nachbrüchen geschützt ist. Bei einer Einfachschild-TBM erfolgt die Auskleidung des aufgefahrenen Abschnitts bei zwischenzeitlich ruhendem Vortrieb im hinteren Teil des Schildes. In brüchigen Felsformationen stützt sich die Maschine mittels hydraulischer Pressen am zuletzt eingebauten Tübbingring ab. Die Vortriebsleistungen werden im Wesentlichen durch die Zykluszeiten für den Ausbruch (Vortrieb) und für das Setzen der Tübbinge bestimmt. Zur voreilenden Gebirgsverbesserung für nachbrüchiges Gebirge dienen Öffnungen im Bohrkopf und Bohrgassen im Schild. Bei einer Doppelschildmaschine (DSM) sind zwei Technologien in einer Maschine kombiniert, nämlich eine Gripper-TBM und eine Schild-TBM. Bei einem Vortrieb in standfestem Gebirge verspannt sich die Maschine mit den Gripperplatten radial am aufgebohrten Gebirge, während gleichzeitig zum Vortrieb im Schutz des rückwärtigen Schildes der Einbau der Tunnelsicherung erfolgen kann. Durch diesen kontinuierlichen Vortrieb können höhere Vortriebsleistungen erreicht werden. In Störungszonen und in stärker nachbrüchigen bis gebrächen Gebirgsabschnitten wird der Doppelschild im Einfachschildmodus

. Abb. 17.59  Tunnelbohrmaschine (ohne Nachläufersystem) mit Einrichtung für Felssicherungsmaßnahmen: (1) Bohrkopf, (2) Mantel, hydraulisch verstellbar, (3) Ausbausetzvorrichtung und Transportsystem, (4) Ankerlochbohrgerät), (5) Spannschilde mit Verstellzylindern, (6) Vorschubzylinder, (7) Sondierbohrgerät, (8) hintere Abstützung

686

Kapitel 17 · Tunnelbau

gefahren, d. h., der Front- und Gripperschild bilden eine starre Einheit und die Maschine stützt sich mit Hilfsvortriebspressen am letzten gesetzten Tübbingring ab. Dabei ist es allerdings nicht mehr möglich, die Tunnelsicherung parallel zum Vortrieb einzubauen (Bäppler 2004, 2008b). Eine Doppelschild-TBM kann damit in wechselhaften Gebirgsverhältnissen sehr flexibel eingesetzt werden. Das Lösen des Gebirges mittels Schneidrad wird allgemein als gebirgsschonend angesehen, obwohl dabei ebenfalls erhebliche Erschütterungen auftreten. Der rotierende Bohrkopf ist systematisch mit Schneidwerkzeugen bestückt: Rollenmeißel oder Schneidrollen (Einfach- und Doppeldisken für Hartgesteine) und starre Schneidzähne für mehr oder weniger stark verfestigte Gesteine (50 cm bis 50 cm Einfluss auf die Penetration haben. Außerdem scheinen Kleinklüfte und Schieferung wenig Auswirkung auf die Penetration zu haben. Allgemein führt ein höherer Zerlegungsgrad zu einer Steigerung der Vortriebsleistung, wobei ein Trennflächenwinkel von 40–60° die günstigsten Werte ergibt (Tentschert et al. 2005). Auch Skuk und Wegscheider (2015) haben in relativ homogenem Granitgebirge eine deutliche Zunahme der Penetration mit steigender Gebirgszerlegung festgestellt, wobei der Zerlegungsgrad über den RQD-Wert bzw. über das RMR- und GSI-System gem. 7 Abschn. 17.3.2 klassifiziert wurde. Bei sehr starker Gebirgszerlegung und in tektonisch gestörtem und/oder tiefgründig entfestigtem Gebirge sowie in tonigen, zu Verklebung neigenden Gebirgsarten mindern jedoch die nötigen Sicherungsmaßnahmen und Vortriebsunterbrechungen die Leistung.

17

Die heutigen Hartgesteins-TBM decken e i n e n G e s t e i ns fe s t i g ke it s b e re i c h von 100–350 MN/m2 ab. Dabei stellen Druckfestigkeiten ab 150–200 MN/m2 bereits hohe Anforderungen an das Material und die Leistungsfähigkeit einer TBM. Die Penetrationsraten betragen bei abgestimmter, relativ hoher Vorschubkraft und entsprechendem Zustand der Meißel bei harten, quarzreichen Gesteinen (Granit, Quarzphyllit) 2–10 mm/U und bei leichter bohrbaren Gebirgsarten (qu ± 100 MN/m2) 10–15 mm/U (Gehring 2009; Wilfing et al. 2016). Die aussagekräftigste Methode zur Ermittlung der Vortriebsleistung ist ein In-situ-Penetrationsversuch mit Verschleißmessung in den verschiedenen Lithologien. Bei einer modernen TBM mit automatischer Betriebsdatenerfassung können die Parameter Penetration, Vortriebsgeschwindigkeit, Bohrkopfdrehzahl und -drehmoment sowie die Gesamtvortriebskraft erfasst und entsprechend den Gesteins- und Gebirgseigenschaften ausgewertet werden. Thuro et al. (2015) und Wilfing et al. (2016) beschreiben solche Vor-Ort-Versuche als sog. „Start-StoppPenetrationstests“. Über eine Gesamtauswertung der Verschleißerscheinungen bei einem Schiefergebirgsvortrieb berichten Könemann und Tauch (2013). Skuk und Wegscheider (2015) bringen eine umfassende Auswertung der Versuchsergebnisse von In-situ-Penetrationsmessungen in einem 10,5 km langen Erkundungsstollen im Granit. Eine Übersicht über die weltweit angewendeten Methoden zur Voraussage von TBM-Leistungen bringen Poisel et al. (2010) und besonders Schneider et al. (2010, 2014) und Wilfing et al. (2016). Zur Reduzierung der Hartgesteinsabrasion wird auch der Einsatz von Antiabrasionsadditiven zur Verschleißreduzierung und Staubbekämpfung propagiert (Jakobsen et al. 2009). Bei einer Hartgesteinsmaschine ohne oder mit Schild findet weder an der Ortsbrust noch im Schildbereich eine aktive Stützung des Gebirges statt. Nur bei Stillstand der Maschine kann von einer gewissen Stützung der Ortsbrust ausgegangen werden. Für die Beurteilung der

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Kapitel 17 · Tunnelbau

. Abb. 17.60  Schematische Darstellung von Steuer- und Ringspalt (nach Henzinger et al. 2016)

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Standsicherheit der Ortsbrust, d. h. zur Abschätzung der Gefahr des Ausbrechens oder Abplatzens von Blöcken oder Platten an der Ortsbrust, sind Angaben über den Primärspannungszustand (Überlagerungshöhe), die Gesteins(druck) festigkeit und den Kluftkörperverband bzw. über die Blockigkeit des Gebirges zu machen. Hohe Durchtrennung und offene Klüfte setzen die Verbandsfestigkeit herab und erhöhen die Teilkörperbeweglichkeit. Engständige, steil stehende, querschlägige Klüftung oder Schichtung neigen infolge der Spannungsumlagerung zu einem Ausknicken oder Abplatzen von Gesteinsplatten. Abgefallene Steine müssen vom Bohrkopf zerkleinert werden, was zusätzlichen Verschleiß bedeutet. Durch größere Ausbrüche im oberen Ortsbrustbereich kann es zu Mehrförderung von Ausbruchmaterial kommen. Bei nachbrüchigem Gebirgsverhalten können sich gefügebedingte Nachbrüche an der Ortsbrust sowie eine hohlraumnahe Überbeanspruchung im Schildbereich mit entsprechenden Gebirgsverformungen entwickeln. Die Situation muss rechtzeitig erkannt werden, um derartigen Instabilitäten der Ortsbrust durch Erhöhen der Anpresskraft und Begrenzung der Penetration sowie ggf. durch Maßnahmen zur Verbesserung bzw. Ertüchtigung des Gebirges entgegenzuwirken (Lauffer 2008; Bach et al. 2010). Zur Aufnahme der je nach Gebirgsqualität unmittelbar hinter dem Bohrkopf einsetzenden Verformungen des Gebirges wird ein sog. Überschnitt gefahren. Seine Festlegung erfolgt i. d. R. nach Erfahrung. Der Überschnitt verhindert ein Verklemmen des Schildmantels und dient gleichzeitig als Steuerspalt zur Steuerung der Vortriebsmaschine.

Der Steuerspalt zwischen Ausbruchlaibung und Schildschneide und die sog. Konnizität (d. i. die Lagedifferenz zwischen Schildschneide und Schildschwanz) ergibt den Ringspalt (. Abb. 17.60). Dieser muss zur Sicherstellung der Bettung des Tübbingringes umgehend mit geeignetem Material kraftschlüssig verfüllt werden. Die Ringspaltverfüllung erfolgt nach verschiedenen Verfahren (Dollowsli und Erichsen 2009; Heinzinger et al. 2016). In standfestem Gebirge, in dem der Ringspalt weitgehend offen bleibt, erfolgt die Verfüllung i. d. R. mit Perlkies (4/16 oder 8/11 mm). Dieser wird, beginnend in der Sohle, mit Druckluft in den Ringspalt verblasen. Alternativ wird der Sohlbereich häufig auch mit einem Mörtelgemisch verfüllt. Bei Schildvortrieben mit Grundwassereinwirkung wird, um die Auftriebskräfte auf die Tübbingschale zu beherrschen, im gesamten Ringumfang ein spezieller Ringspaltmörtel verwendet (7 Abschn. 17.6.4.1 und Edelhoff et al. 2015). Als Qualitätsnachweis für die Ringspaltverpressung wird der Mörtelverbrauch kontrolliert. In schwierigen Gebirgsverhältnissen mit größeren Gebirgsverformungen, z. B. in Störungszonen, kann es zu einem Verklemmen des Schneidrades oder zu einer zu starken Belastung des Schildmantels kommen. Als solche Gebirgsverhältnisse gelten (s. Home 2009): 44Störungszonen mit stärkerer Gebirgszerlegung, besonders bei Wasserführung, 44druckhaftes oder quellendes Gebirge, hohe Primärspannungen, 44hohe Gebirgsdurchtrennung mit ungünstigen Trennflächenverschneidungen, 44starker Wasserzulauf.

689 17.6 · Bauweisen

Die hauptsächlichen Gefahren für eine TBM sind: 44Einklemmen bzw. Blockieren der TBM einschließlich Nachläufer, 44Profilunterschreitung infolge großer Deformationen, 44Schäden am Ausbau. Wo druckhaftes bzw. konvergierendes Gebirge oder größere Störungszonen mit Wasserzulauf zu erwarten sind, müssen das Maschinenkonzept und die Ausbaumittel auf die Situation abgestimmt werden. Dabei weisen offene TBM Vorteile gegenüber Schildmaschinen auf. Bei offenen TBM besteht eher die Möglichkeit, unmittelbar hinter oder über dem Bohrkopf gezielt angesetzte Vorauserkundungs- und Gebirgsverbesserungsmaßnahmen vorzunehmen (Home und Jordan 2015). Eine Störungszone kann nötigenfalls gegen Wassereinbrüche verpresst und durch Verfestigungsinjektionen auf den Vortrieb vorbereitet werden. Das Einfahren in eine nicht erkundete Störungszone kann einen kostenintensiven Vortriebsstillstand zur Folge haben. Von äußerst schwierigen Vortrieben berichten Gschnitzer und Goliasch (2009) sowie Gollegger et al. (2009). Häufig werden in solchen Fällen auch MixschildMaschinen eingesetzt. Edelhoff et al. (2015) berichten über einen Vortrieb in bereichsweise druckhaften Mitteljura-Tonsteinen. 17.6.4.2 Geschlossene TBM mit

Schild, Schildmaschinen

In Gebirgen mit nicht standfester Ortsbrust und unter Grundwasser werden geschlossene TBM mit Schild eingesetzt. Geschlossene TBM haben hinter der Abbaukammer eine Druckwand, sodass zur temporären Sicherung des Ausbruchbereichs darin über ein Stützmedium ein Überdruck aufgebaut werden kann. Zweck dieser aktiven Ortsbruststützung ist die Gewährleistung der Ortsbruststabilität und das Abhalten des Grundwassers. Der Ausbau erfolgt i. d. R. über sog. Tübbinge, die im Schutz des Schildes eingebaut werden. Die Vortriebskraft wird über den bereits fertiggestellten Tübbingausbau aufgebracht. Nach dem Vorbeifahren des Schildes wird der

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Ringspalt zwischen dem Tübbingausbau und der Ausbruchlaibung, wie in 7 Abschn. 17.6.4.1 beschrieben, verpresst. Unterschieden werden gem. . Tab. 17.10 Schildmaschinen mit Vollschnittabbau (SM-V) und die hier nicht weiter behandelten Schildmaschinen mit Teilflächenabbau (SM-T). Bei den SM-V werden drei Maschinentypen unterschieden (Burger 2014): 44offener Einfachschild für standfestes und nicht oder nur gering wasserführendes Gebirge, 44geschlossener Erddruckschild (EPB-Schild) für feinkörnige und nicht standfeste, wasserführende Böden, 44geschlossener Flüssigkeitsschild (System Hydroschild oder Slurry-Typ) für grobkörnigen, nicht standfesten und wasserführenden Baugrund. Die rotierenden Schneidräder sind mit verschiedenen Abbauwerkzeugen wie Rollenmeißeln bzw. Schneidrollen und Sticheln (für Grobmaterial) sowie Schälmessern und Räumern bestückt. Mit Rollenmeißeln oder Schneidrollen können auch Findlinge abgearbeitet werden, wenn sie fest im umgebenden Boden eingespannt bleiben (7 Abschn. 17.6.4.1und Herrenknecht und Wehrmeyer 2010). Bei Blöcken oder Hartgesteinseinlagerungen mit Druckfestigkeiten >25 MN/m2 sind auf jeden Fall Rollenmeißel vorzusehen. Entscheidender Faktor für den Wirkungsgrad einer Schildmaschine ist die Standzeit bzw. der Laufweg (in km) der Abbauwerkzeuge. Die Standzeit ist in erster Linie abhängig von der Bodenart an der Ortsbrust, und zwar von deren Kornform und -durchmesser (d 60) und der Abrasivität gem. 7 Abschn. 17.2.9.1. Zur Bewertung der Abrasivität werden meist der Äquivalente Quarzgehalt ÄQu (%) oder Indexwerte (LCPC-Test, SAI-Index) herangezogen (s. a. Köppl et al. 2015). Die Abrasivität des abzubauenden Kiesmaterials (7 Abschn. 17.2.9), variierende Ortsbrustverhältnisse oder Findlinge können zu einem hohen Verschleiß an den Schneidwerkzeugen am Bohrkopf sowie auch an den Pumpen und Förderleitungen führen. Auch Verklebungen

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Kapitel 17 · Tunnelbau

erhöhen den Verschleiß. Gegenmaßnahmen sind der Einsatz verschleißfester Werkstoffe und ggf. Aufpanzerungen an exponierten Stellen der Werkzeuge. Die Stützmedien der geschlossenen Schildmaschinen unterscheiden sich im Prinzip nur durch die Dichte und die Viskosität. Bei einer Slurry-TBM, System Hydroschild, wird der Stützdruck über ein Bentonitgemisch definierter Dichte geregelt. Bei einem Erddruckschild (EPB-Schild, Earth Pressure Balanced) wird das an der Ortsbrust gelöste Gestein in der Abbaukammer aufbereitet und in einen Erdbrei überführt, der die Stützung der Ortsbrust bewirkt. Durch Zugabe von Konditionierungsmitteln, insbesondere Schäumen, ändern sich die Dichte und die Durchlässigkeit des Stützmediums. Der Stützdruck bewirkt einerseits eine Stabilisierung der Ortsbrust, einschließlich der Rückhaltung des Grundwassers. Andererseits darf er bei geringer Überdeckung keinen Bodenaufbruch oder Ausbläser auslösen. Die Steuerung des Stützdrucks erfolgt bei Erddruckschilden über das im Schneckenförderer abgeförderte Material im Vergleich zum Vortrieb. Bei Flüssigkeitsschilden steuern automatisch geregelte Druckluftpolster an der Druckwand den Stützdruck. Die maßgebenden Parameter für die Ermittlung des erforderlichen Stützdrucks sind der Erddruck, der Wasserdruck und die Auflasten (Speier undGrübl 2013). Der klassische Anwendungsbereich von Slurry-Maschinen, System Hydroschild (SMV4), bei denen die wenig viskose Stützflüssigkeit (Bentonit- und Dickstoffgemisch) durch Zusatz chemischer Additive (Polymere oder Tenside) dem Untergrundaufbau angepasst wird, sind sandig-kiesige Lockergesteine. Um die Abdichtung und Stützübertragung zu gewährleisten, muss die Bentonitsuspension eine bestimmte Dichte (meist 1,02–1,03 t/m³) und Fließgrenze (meist 15–45 N/mm²) aufweisen. Im Förderkreislauf nimmt die Suspension Feinmaterial auf. Die Dichte steigt an (Obergrenze 1,25–1,30 t/m³) und muss ausgetauscht werden. Ferner können Salzgehalte im Boden oder Kontaminationen die Konsistenz der Suspension beeinträchtigen.

Um den Verbrauch und die Zusammensetzung der Stützflüssigkeit abschätzen zu können, ist bei Einsatz eines Hydroschildes auf die Kornverteilung und die Durchlässigkeit auch einzelner Schichtglieder zu achten (Kohler und Rupp 2008). Mit zunehmendem Kiesanteil an der Ortsbrust und hoher Durchlässigkeit besteht die Gefahr, dass die standardmäßige Stützflüssigkeit in die Poren des grobkörnigen Bodens eindringt und der Stützdruck absinkt und nicht mehr kontrollierbar ist. Dem kann durch die Zugabe von Polymeren, die im Wasser quellen und die Grobporen im Boden zusetzen, bis zu einem gewissen Grad abgeholfen werden (Babendererde et al. 2011). Kritisch wird die Situation in Gebirgen mit offenen Klüften oder gar Spalten bzw. Karsthohlräumen. Dies betrifft auch die nachfolgend beschriebenen EPB-Schildvortriebe (s. d. Geomechanics and Tunnelling 8:5. 374). Bei Schildmaschinen mit erddruckgestützter Ortsbrust wirkt der Stützdruck im Erdbrei dem horizontalen Gebirgsdruck und dem Wasserdruck entgegen (. Abb. 17.61). EPB-Schilde ( SM-V5) wurden ursprünglich für bindige und gemischtkörnige Böden (Feinkornanteil 30  %) bzw. Tongesteine mit guter Zerfalls- und Verbreiungsfähigkeit konzipiert ( . Abb. 17.62 und 7 Abschn. 17.2.9.2 ). Der Erdbrei aus abgebautem Bodenmaterial muss weiche bis breiige Konsistenz aufweisen (Dichte allgemein 1,5–1,8 t/m³) sowie ein hohes Wasserbindevermögen, eine geringe innere Reibung und eine geringe Wasserdurchlässigkeit haben. Er muss außerdem extrudierbar sein, d. h. mit einer Förderschnecke aus der unter Druck stehenden Abbaukammer in den atmosphärischen Bereich der Maschine abgefördert werden können. Der Druckabbau erfolgt über die Länge der Schnecke bzw. eine zusätzliche Pumpe am Ende der Förderschnecke (Herrenknecht et al. 2011). Um die Einsatzmöglichkeiten von EPBSchilden auf gröbere Bodenarten mit geringen Feinkornanteilen zu erweitern, werden Konditionierungsmittel zugegeben. Als solche werden verwendet: Wasser, Schäumungsmittel mit oder ohne Polymerzusatz, Polymersuspensionen oder Feinstoffsuspensionen (Bentonit).

691 17.6 · Bauweisen

17

. Abb. 17.61  Prinzip einer Schildmaschine mit erddruckgestützter Ortsbrust (aus Wittke-Schmitt und Schmitt 2010)

. Abb. 17.62  Einsatzgrenzen von Erddruckschilden in Abhängigkeit von den Konditionierungsmitteln (nach Budach 2012)

Durch Zugabe von Konditionierungsmitteln über die verschiedenen Konditionierungskanäle (Schneidrad, Abbaukammer, Schnecke) werden die Verarbeitbarkeit (Fließverhalten), die Kompressibilität (Stützdruckverhalten) und die Wasserdurchlässigkeit reguliert. Bei fehlendem Feinkornanteil werden insbesondere Schäume und Polymere beigemischt. Bei halbfesten bis festen Sedimentgesteinen ist für die Konditionierung der Zerkleinerungsgrad des Gesteins maßgebend, d. h. die Anteile und Größe der Gesteinschips und des Feinkorns im Stützmedium. In abrasiven Gesteinen können

verschleißmindernde Schäume und Polymere zugegeben werden. Bei längeren Stillständen der Maschine kann es zu einem Zerfall des Schaums und damit zu einer Entmischung des Stützmediums kommen. In diesen Fällen ist zusätzlich der Einsatz von Bentonitsuspension erforderlich. Eine ausführliche Darstellung über den Einsatz von Konditionierungsmitteln bringen Galli und Thewes (2014). Bodenkonditionierung hat großen Einfluss auf das Vortriebskonzept und den Erfolg eines Schildvortriebs. Im Zuge der geotechnischen

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17

Kapitel 17 · Tunnelbau

Beratung müssen diese Probleme angesprochen und möglichst durch Laborversuche untermauert werden. Auf dieser Grundlage sollte im Vorfeld eines Einsatzes vom Bauunternehmer zusammen mit dem Maschinenhersteller und dem Additivlieferanten ein Bodenkonditionierungskonzept erarbeitet werden (Willis und Roby 2014). Dieses kann nötigenfalls während des Vortriebs durch weitere Tests mit frischen Bodenproben und den Additiven optimiert werden. Bei der Auswahl der Konditionierungsmittel sind auch deren Auswirkung auf die Umwelt bzw. die Einschränkungen auf die Deponierbarkeit zu berücksichtigen (7 Abschn. 17.2.7). Ansätze für toxikologische und ökologische Untersuchungen und erste Ergebnisse bringen Langmaack (2006) und Egli und Langmaack (2008). Auch die Entsorgung von Bentonit unterliegt in einigen Ländern strengen Vorschriften. In feinkörnigen, tonigen Gesteinsarten ist sowohl bei Erddruckschilden als auch bei Hydroschilden die Verklebungsneigung gem. 7 Abschn. 17.2.9.2 zu beachten. Besonders anfällig sind Tonböden von weicher bis steifer Konsistenz. Auch festere Konsistenzbereiche und selbst feste Tongesteine werden durch den Abbauvorgang und den intensiven Kontakt mit Wasser in kritische Konsistenzbereiche überführt (Galli und Thewes 2014). Verklebungen können am Schneidrad, in der Abbaukammer und auch an der Fördereinrichtung auftreten. Besonders unangenehm sind solche Verklebungen, wenn grobkörnige Komponenten (Kies, Festgesteinsbruchstücke) in die Verklebungsmasse eingewürgt sind. Als ungewöhnliche Vortriebserschwernis werden von Hollmann et al. (2014) sehr hartnäckige Verklebungen, sog Verklebungsmauern, in den Abbaukammern vor der Tauchwand (Hydroschild) bzw. zwischen Schneidrad und Druckwand (EPB-Schild) beschrieben. Der Zusatz von Schäumen verringert die Verklebungserscheinung (Gattermann und Kiel 2004; Langmaack 2006). Als weitere Maßnahme gegen Verklebungen dient eine angepasste Konstruktion von Schneidrad und Abbaukammer.

Außerdem können in der Abbaukammer zusätzliche (Hochdruck-)Spüldüsen installiert werden, die aber gegen die hartnäckigen Verklebungsmauern auch nur wenig ausrichten können (Hollmann et al. 2014). Durch einen dem Untergrundaufbau angepassten Maschinentyp und einer abgestimmten Auswahl und Steuerung der Konditionierungsstoffe überschneiden sich die Anwendungsbereiche der beiden Vortriebsverfahren weitgehend. Es sind inzwischen sowohl Slurry-TBM als auch EPB-TBM in tonigen Böden und auch in stark durchlässigen Kiesböden mit Findlingen eingesetzt worden (Maidl 2001; Babendererde 2003; Thewes 2004; Gattermann und Kiel 2004 und bes. Willis 2011). Heute sind weltweit mehr als 80 % aller Schildmaschinen mit aktiver Ortsbruststützung Erddruckschilde, die das gesamte Spektrum der Lockergesteine und auch den Übergangsbereich zu den Festgesteinen abdecken. Nicht unproblematisch sind grobe Sand- und Kiesböden unter Grundwasser, deren Feinkornanteil nicht ausreicht, um einen Dichtpfropfen im Schneckenförderer zu bilden. Bei hohem Wasserdruck waren in den Anfangsjahren flüssigkeitsgestützte Schildmaschinen im Vorteil. Die 2-bar-Wasserdruckgrenze ist bei EPB-Schildmaschinen aber seit Jahren überholt. Mit den gängigen Schildmaschinen können heute Wasserdrücke bis zu 4 bar beherrscht werden. Darüber spricht man von hohem Wasserdruck. Dieser beeinflusst sowohl die Konstruktion der TBM als auch die Bemessung der Tübbinge. Holzhäuser et al. (2007) berichten von einigen Vortrieben in Lockergestein und Fels mit Wasserdrücken von 4–11 bar. Inzwischen wird auch von einer Multi-ModeTBM für bis zu 15 bar Wasserdruck berichtet (Tunnel 2015; 34:2). Mit zunehmendem Wasserdruck wird die Ortsbruststützung schwieriger, und die Ortsbrust kann instabil werden (Herrenknecht et al. 2011). Beim Erkundungsstollen für den Brenner-Basistunnel/Südabschnitt sind im Sommer 2009 aus stärker durchlässigen Bereichen einer begleitenden Störungszone Wasserzutritte von zwar nur 2–5 l/s, aber mit Druckhöhen von 20–27 bar aufgetreten. Der Tübbingausbau wurde auf einer Länge von etwa

693 17.6 · Bauweisen

100 m stark beschädigt (Quick et al. 2010; Home und Jordan 2015). Bei einem Schildvortrieb kann der in der Abbaukammer aufgebrachte Stützdruck in der unmittelbaren Umgebung des Vortriebs zu einem gewissen Anstieg der Grundwasserstände bzw. des Druckniveaus führen, die sich aber danach rasch wieder normalisieren (Drucker und Auer 2007). Besonders ausgeprägt waren solche Reaktionen bei Drucklufteinsatz für Reparaturarbeiten (Wendl undThuro 2011; Wendl et al. 2012). . Abb. 17.63 zeigt eine Auswahl von Projekten, die mit Erddruckschilden aufgefahren wurden, mit Angabe der hauptsächlichen Körnungslinien, der eingesetzten Konditionierungsmittel und dem jeweiligen Wasserdruck. Bei Erddruckschilden werden im Hinblick auf die Art der Ortsbruststützung folgende Betriebsmodi unterschieden:

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44Bei geschlossenem Modus („closed mode“)

ist die Ortsbrust vollflächig gestützt. Die unter Druck stehende Abbaukammer ist vollständig gefüllt. Der Druckabbau erfolgt durch den Materialaustrag im Schneckenförderer. 44Bei weitgehend standfester Ortsbrust unter Grundwasser kann im halboffenen Modus („semi-closed mode“ oder „transition mode“) gefahren werden. Wasserzutritt kann z. B. durch eine Druckluftbeaufschlagung in der Abbaukammer beherrscht werden (s. Reith 2011; Tauch et al. 2011; Edelhoff et al. 2015). 44Bei standfester Ortsbrust und geringem Wasserzulauf kann im offenen Modus („open mode“) gefahren werden. Dabei steht die Abbaukammer nominell unter atmosphärischem Druck.

. Abb. 17.63  Beispiele von Erddruckschild-Projekten in Sand- und Kiesböden mit Angabe des Grundwasserdrucks und der eingesetzten Konditionierungsmittel (aus Herrenknecht et al. 2011) ÜBERSICHTLICER SETZEN z. B.: Toulouse: meist unter Grundwasseroberfläche; Schaum und Anti-Clay Botlek: 3,6 bar Wasserdruck; Schaum und Polymere AVILES: 2,5 bar Wasserdruck; Schaum und Polymere Essen: keine weiteren Angaben Barcelona: 2,0 bar Wasserdruck; Schaum, Polymere und Füller Turin: meist unter Grundwasseroberfläche; Schaum und Polymere Lyon: 1,5–3,0 bar Wasserdruck; Schaum, Polymere und Bentonit Mailand: keine Angaben; Schaum und Polymere

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Kapitel 17 · Tunnelbau

Die klassischen Erddruckschilde stoßen bei wechselhaften Untergrundverhältnissen in Trassenlängsrichtung mit z. T. weichen oder grobkörnigen wasserführenden Lockergesteinen und längeren Festgesteinsabschnitten an technische und auch wirtschaftliche Grenzen. Für derartige Verhältnisse wurden Mehrzweckmaschinen mit auswechselbaren Stütz- und Abbauverfahren entwickelt. Die Bezeichnung dieser Maschinentypen ist international nicht einheitlich. Willis (2013) beschränkt den Begriff „Mixschild“ auf die Kombination EPB/Slurry und verwendet für die Kombination EPB/Slurry/offener Hartgesteinschild den Begriff „Hybrid-TBM“. Im deutschsprachigen Raum laufen diese Maschinenkombinationen alle unter Mixschild oder Multi-Mode-Maschine. Das Multi-Mode-Konzept ermöglicht durch Variation der Stützdrucksteuerung und der Abförderung den Wechsel zwischen Flüssigkeitsstützung, Erddruckstützung und offenem Modus. Der Umbau auf die verschiedenen Betriebsarten erfolgt im Tunnel (Weh et al. 2009; Düllmann und Hollmann 2011; Burger 2014). Die häufigsten Maschinenkombinationen sind: 44Wechsel zwischen offenem Modus mit Förderbandaustrag und EPB-Schild, 44Wechsel zwischen Flüssigkeitsschild und offenem Modus mit Förderbandaustrag, 44Wechsel zwischen Flüssigkeitsschild und EPB-Schild.

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Herrenknecht et al. (2009) beschreiben den Einsatz eines Mixschildes für den Abbau im offenen Hartgesteinsmodus mit hohen Druckfestigkeiten und blockigen Ortsbrustverhältnissen und mit Umstellung auf einen Lockergesteinsvortrieb im geschlossenen Slurry-Modus für Passagen mit hohem Wasserdruck (max. 13 bar) und starker Gebirgszerlegung. Mit einem sog. Mischbohrkopf können sowohl mehr oder weniger verwitterter Fels als auch Feinkornschichten und auch wasserführende Sand- und Kiesschichten durchfahren werden. Festinstallierte Bohr- und Injektionsgeräte ermöglichen eine Begrenzung des Wasserzuflusses durch Zementverpressung. Könemann und Tauch (2012, 2013) berichten von einem Schildvortrieb

mit offenem Modus im Festgestein des Rheinischen Schiefergebirges und EPB-Modus in größeren Störungszonen und in der anfänglichen Lockergesteinsstrecke (z. T. Mixed-face-Bedingungen). Weitere Anwendungsbeispiele s. Burger (2014). Ein anderer Sonderfall ist ein situationsbedingt oberflächennaher Schildvortrieb mit geringer Überdeckung von nur wenigen Metern (Grenzbereich ca. 0,5 Schilddurchmesser). Grundhoff und Klar (2015) beschreiben einen solchen Vortrieb im Schutz einer Bodenvereisung bzw. eines dachförmigen Gefrierschirms gem. 7 Abschn. 17.9.3. Die technische Entwicklung und die Wechselmöglichkeiten der Schneidwerkzeige sowie Steinbrecher in der Sohle des Schildes zum Zerkleinern von Steinen und sonstige Maßnahmen zur Hindernisbeseitigung wie die Möglichkeit eines Drucklufteinstiegs in die Abbaukammern zur Kontrolle und zum Ausrausch der Abbauwerkzeuge (Burger und Wehrmeyer 2013) haben die Einsatzmöglichkeiten und die Leistung von Schildmaschinen wesentlich verbessert. Bei modernen Maschinen kann die Abnutzung der Abbauwerkzeuge auch über sog. Verschleißdetektoren kontrolliert werden. Zur Dimensionierung des Steinbrechers sind die maximale Kantenlänge der Steine und Blöcke sowie ihre Petrographie (Festigkeit, Quarzgehalt, Abrasivität) anzugeben. Der Austausch der Schneidwerkzeuge kann dann von der Bohrkopfrückseite aus erfolgen Dazu kommen Ausrüstungen zur Vorauserkundung und zur Gebirgsverbesserung gem. 7 Abschn. 17.2.3.2 und bes. 17.2.4.2 (Moritz et al. 2015). Die Maschinendurchmesser betragen heute sowohl bei Hartgesteins-TBM als auch bei Schildmaschinen allgemein 8–15 m. Die größten Durchmesser der letzten Jahre waren: 44Niagara-Wassertunnel (Hartgesteins-TBM) = 14,44 m (2008/2011), 44Sanierungstunnel Belchen(Einfachschild) = 13,97 m (2016/17), 44Eisenbahntunnel Rotterdam–Brüssel (Hydroschild) = 14,87 m, 44Autobahntunnel M30 Madrid (EPB-Schild) = 15,2 m (2005),

695 17.6 · Bauweisen

44Unterquerung des Yangtze, Shanghai

(Mixschild) = 14,93 m (2007/2009), 44Straßentunnel Chongming/Shanghai (Mixschild) = 15,43 m (2006), 44Sparvo-Autobahntunnel Bologna-Florenz (EPB-Schild) = 15,55 m (2012/13), 44U-Bahn Wuhan (Mixschild) = 15,76 m (2014/2016), 44Orlovskij-Tunnel St. Petersburg (Mixschild) 19,20 m (2013/2015). Die Tunnelauskleidung erfolgt im Schutz des Schildmantels mit vorgefertigten, wasserundurchlässigen Stahlbetonfertigteilen, sog. Tübbingen. Diese einschalige Auskleidung dient außer der Stützung des Hohlraums und der Aufnahme aller Einwirkungen aus dem Gebirge vor allem der Abdichtung des Tunnels gegen Grundwasser. Letzteres wird durch eine Dichtung der Tübbingfugen mittels umlaufend eingebauter Elastomer-Dichtprofile erreicht, die beim Einbau der Tübbingringe planmäßig zusammengepresst und ggf. verschraubt werden. Eine gem. ZTV-ING, T5, Abschn. 3 geforderte Dichtigkeitsklasse 2 (weitgehend dicht) ist damit kaum zu erreichen. Örtlich muss mit Feuchtstellen oder tropfenden und auch rinnenden Wasserzutritten gerechnet werden. Die Undichtigkeiten müssen ggf. nachgebessert werden. Bei chemisch stark angreifendem Grundwasser (DIN 4030) ist ggf. eine zweischalige Konstruktion mit einer KDB zwischen Tübbingausbau und Ortbetoninnenschale vorzusehen. Bei statischen Berechnungen für einen Schildvortrieb wird von der Annahme ausgegangen, dass der Tübbingring mithilfe der Ringspaltverpressung über den gesamten Umfang gebettet ist. Die maßgebenden Gebirgskennwerte sind: 44Wichte γ (in kN/m2), 44Scherparameter φ, c (in °, kN/m2) von Gebirge und ggf. Trennflächen 44Elastizitätsmodul E bzw. Steifemodul Es (in MN/m2), 44Poissonzahl ν, 44Ruhedruckbeiwert Ko, 44einaxiale Druckfestigkeit qu (in MN/m2, MPa),

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44Gebirgsdurchlässigkeit(en) (m/s), 44Wasserdruck (Bemessungswasserstand,

Grundwasserströmung) und

44ggf. Gebirgsdruck, Quelldruck.

Bereichsweise druckhaftes Gebirgsverhalten kann ggf. durch einen unterschiedlich starken Tübbingausbau beherrscht werden (Edelhoff et al. 2015). 17.6.4.3 Vortriebsdokumentation bei

TBM-Vortrieben

Die Sicherheit eines TVM-Vortriebs ist auf eine den Vortrieb begleitende Erfassung und zeitnahe Auswertung der vortriebsrelevanten Daten angewiesen, um Störfälle frühzeitig zu erkennen und mit Gegenmaßnahmen reagieren zu können. Die Vortriebsdaten werden in drei Gruppen eingeteilt (Handke 2014): 44Maschinenparameter 44Steuerungsparameter 44geotechnisches Messprogramm und Dokumentation Zu den Maschinenparametern gehören die Kontrolle der Vortriebsgeschwindigkeit (Penetration, Drehzahl), des Stützdrucks an der Ortsbrust und in der Abbaukammer, der Schneidwerkzeuge (Verschleißzustand, Verklebung), der Menge und Qualität des Stützmediums, der Ringspaltverfüllung und der Funktion der Förderanlagen sowie eine Massen- und Volumenkontrolle des geförderten Ausbruchs in Abhängigkeit von der Bohrgeschwindigkeit (s. Maidl und Nellessen 2003; Poisel et al. 2005; Maidl 2008; Schretter et al. 2009; Ruse und Schwarz 2012; Maidl und Stascheit 2014; Handke 2014; Edelhoff et al. 2015). Die Steuerung der Maschine erfolgt maßgeblich durch das unterschiedliche Anfahren der Vortriebspressen. Durch kontinuierliches Bestimmen der räumlichen Lage der Maschine wird die Ist-Lage kontrolliert und Abweichungen vom Soll-Verlauf werden rechtzeitig erkannt. Das geotechnische Messprogramm umfasst eine Kontrolle der vortriebsbezogenen Veränderungen an der Geländeoberfläche und der Messpunkte an baulichen Anlagen in Bezug

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Kapitel 17 · Tunnelbau

zur aktuellen Position der Maschine. Außerdem sind die Verformungen an den Tübbingen zu überwachen. Die Belastung des Ausbaus und seine Entwicklung können außerdem mittels Messtübbingen mit Dehnungsmessstreifen an den Bewehrungseisen im Beton ermittelt werden (Quick et al. 2010; Radoncic et al. 2015). Auch die Grundwasserstände in der näheren Umgebung müssen kontrolliert werden (7 Abschn. 17.2.5.2 und 17.2.5.6). Die Ortsbrust einer Tunnelvortriebsmaschine ist i. d. R. nicht zugänglich, sodass eine ingenieurgeologische Dokumentation nur in sehr begrenzten Umfang möglich ist (Düllmann und Hollmann 2011). Auch die aufgezeichneten technischen Vortriebsdaten und die Auswertung der Setzungsmessungen liefern i. d. R. keine Informationen über das Gebirge an der Ortsbrust. Die einzige Möglichkeit ist, das Aushubmaterial zu sichten und zu bilanzieren (Material, Volumen und Massenbilanz) bzw. bei einem Hydroschildvortrieb das in der Separationsanlage abgesiebte Material zu bewerten. Bei einem Lockergesteinsvortrieb können viele gleichartige, frisch gebrochene Komponenten einer Gesteinsart ein Hinweis auf Blöcke an der Ortsbrust sein. Tonklumpen sind ein Hinweis auf Verklebungsgefahr. Außer dem Ausbruchmaterial sind auch immer die Eigenschaften der Bentonitsuspension zu kontrollieren. Eine Möglichkeit zur direkten Aufnahme von Teilen der Ortsbrust bietet sich bei Wartungsschichten und zurückgezogenem Bohrkopf durch Einstieg in die Abbaukammer. Die Aufnahmen sind mühsam und unvollständig (Beispiel s. Skuk und Wegscheider 2015). Bei Grundwassereinfluss ist dazu ggf. Drucklufteinsatz erforderlich. Über die Bemühungen der letzten Jahre, die Aufnahmetechniken der Photogrammetrie (7 Abschn. 17.4.1) auch bei TBM-Vortrieben einzusetzen, berichten Gaich und Pötsch (2016). Die Autoren beschreiben den Einsatz einer im Bohrkopf einer Hartgesteinsmaschine installierten Videokamera, mit der von einem Außenkranz der Ortsbrust eine Folge überlappender Bilder aufgenommen wurde. Die Bildserie wurde dann zu einem 3D-Bild verarbeitet, an

dem die Ortsbrustebenheit, einzelne Ausbrüche aus der Ortsbrust sowie geologische Strukturen wie das Trennflächenmuster und auch kleinere Störungszonen zu erkennen waren. Eine laufende Gegenüberstellung der Vortriebs- und Maschinenparameter und der geotechnischen Daten ermöglicht es, Schwachstellen im Gebirge und kritische Situationen rechtzeitig zu erkennen (Handke 2011; Maidl et al. 2011; Ruse und Schwarz 2012; Nagel et al. 2012). In einem sonst einigermaßen gleichmäßigen Gebirge können aus stärker wechselnder (zunehmender) Penetration und gleicher oder abnehmender Anpresskraft auch Rückschlüsse auf Zerrüttungs- oder Störungszonen gezogen werden (Skuk und Wegscheider 2015). Bei Schildvortrieben sind zu große Bodenmehrentnahme an der Ortsbrust, größere Stützdruckschwankungen oder eine Zunahme der Reibungskräfte am Schildmantel Anzeichen für kritische Vortriebssituationen (Maidl et al. 2004). Beispiele für die Form und den Inhalt solcher Dokumentationen bringen auch Wendl et al. (2012) und Mayer et al. (2014). Zur Risikominimierung eines Vortriebs sind regelmäßige Vortriebsvor- und Nachschauberichte üblich, in denen der aktuelle Vortriebsstand festgestellt, eine Auswertung der letzten Vortriebsdaten sowie der Erkenntnisse aus der geotechnischen und ggf. ingenieurgeologischen Dokumentation vorgenommen und eine Vorschau auf die nächsten Vortriebszehnermeter gegeben wird. 17.6.4.4 Setzungsverhalten von

TBM-Vortrieben

Schildvortriebe gelten allgemein als setzungsarmes Bauverfahren , obwohl auch dabei

aufgrund der unvermeidbaren Entspannung des Gebirges mit Verformungen gem. 7 Abschn. 17.5.3 zu rechnen ist, und zwar sowohl mit gewissen vorlaufenden Verformungen im Gelände als auch mit weiteren Setzungen im Schildbereich und besonders im Ringspaltbereich (. Abb. 17.64). Bei bindigem Baugrund ist ggf. auch mit gewissen Langzeitsetzungen zu rechnen, die je nach Entwässerungsbedingungen (auch Porenwasserdruckabbau) über

697 17.6 · Bauweisen

17

. Abb. 17.64  Ablauf der Setzungen eines Schildvortriebs mit Tübbingausbau (aus Maidl und Nellessen 2003)

Monate und Jahre anhalten können. Auch die Überlagerungshöhe und eventuelle Stillstandzeiten haben Einfluss auf das Setzungsverhalten. Die möglichen Gesamtsetzungen eines Schildvortriebs werden je nach Untergrundverhältnissen mit 1–2 Vol.-% des Ausbruchquerschnitts angegeben. Bei einem Durchmesser von 10 m würde bereits 1 % einer Setzungsmulde von 10 cm Setzung über der Tunnelfirste entsprechen. Durch setzungsmindernde Maßnahmen wie eine Verminderung der Vortriebsgeschwindigkeit, eine Erhöhung der Anpresskraft des Schneidrads und des Stützdrucks sowie eine entsprechende Ringspaltverpressung (Zeit, Druck, Menge) kann dieser Wert auf 1:900

mittlere bis starke architektonische Schäden

1 :390 bis1 : 860

leichte bis starke konstruktive Schäden

1 : 200 bis 1 : 260

Häufig findet man deshalb als Vorwarnwert eine Winkelverdrehung von 1 : 1000 und als Alarmwert eine solche von 1 : 750 bis 1 : 500. Bei der Entscheidung über Zusatz- und Sicherungsmaßnahmen müssen sowohl die Gründungsart als auch die Empfindlichkeit der Gebäude berücksichtigt werden. In Betracht kommen Fundamentsicherung durch Unterfangung, Verfestigungsinjektionen oder Kompensationsschirme (7 Abschn. 17.9.2 und Mayer et al. 2004; Bücker et al. 2006). Für den Vortrieb müssen Interventionsstrategien vereinbart werden, falls die definierten Grenzwerte erreicht oder überschritten werden. Durch eine Optimierung der Schildfahrt, eine baubegleitende Überwachung (Prozesscontrolling) und setzungskorrigierende Hebungsinjektion gem. 7 Abschn. 17.9.2 sollte es i. d. R. möglich sein, die Verformungen des Baugrunds so weit zu begrenzen, dass eine angrenzende Bebauung nahezu schadensfrei bleibt oder die Schäden zumindest minimiert werden. 17.6.5

Rohrvortrieb und verwandte Verfahren

Eine grabenlose Vortriebstechnik für das Verlegen von unterirdischen Ver- und Entsorgungsleitungen (sog. Utility- oder Mikrotunnelbau)

kommt überall dort zum Einsatz, wo diese Ausführungsart gegenüber den offenen Bauweisen verkehrstechnische, bauliche oder wirtschaftliche Vorteile bietet. Sie stellt außerdem eine umweltschonende Bauweise dar, mit besonderer Berücksichtigung des Baumschutzes. Hierzu zählt auch die sog. gerichtete Horizontalbohrtechnik (HDD). 17.6.5.1 Rohrvortrieb

Bei den Rohrvortrieben kommen folgende Techniken in Betracht: 44Bodenverdrängungsverfahren durch einen drückend oder schlagend angetriebenen Verdrängungskopf (bis DN 250 mm), 44Bodenentnahmeverfahren mittels Vollschnittbohrkopf oder Bohrförderschnecken (bis etwa DN 1600 mm) bzw. Durchpressen der Vortriebsrohre mit maschinellem Bodenabbau und Abförderung (bis etwa DN 3000 mm), 44Rohrvortriebsmaschinen. Unterschieden werden dabei Rohrvortriebe für nicht begehbare und für begehbare Durchmesser, wobei Letztere nach den TBG-Bestimmungen je nach Vortriebslänge ein Mindestlichtmaß von 800–1200 mm aufweisen müssen. Auch nicht steuerbare und steuerbare Verfahren werden unterschieden. Außerdem wird auf Schad et al. 2008, die DIN EN 12 889 „Grabenlose Verlegung und Prüfung von Abwasserleitungen und -kanälen“ und die Arbeitsblätter DWA-A 125/DVGW-GW 304 „Rohrvortrieb und verwandte Verfahren“ verwiesen. Rohrvortriebe werden in die Geotechnische Kategorie 3 eingeordnet (7 Abschn. 4.1). Planung und Ausschreibung einer grabenlosen Leitungsbaumaßnahme erfordern, wie alle untertägigen Baumaßnahmen, eine sorgfältige und teilweise spezielle Baugrunderkundung (s. Placzek 2007). In den geologischen Längsschnitt ist der Schichtaufbau in Form von Homogenbereichen gem. 7 Abschn. 3.3 einzutragen. Maßgebend für die Einstufung der Homogenbereiche ist die Schichtenfolge unter Berücksichtigung der in der Liste der DIN 18 319 angeführten Eigenschaften und Kennwerte ( . Tab. 3.2). Von Bedeutung sind außer der

699 17.6 · Bauweisen

Korngrößenverteilung, Konsistenz bzw. Lagerungsdichte auch Angaben über mögliches Quellverhalten der Boden- und Felsarten sowie etwaige Zustandsänderungen nach dem Lösen in Verbindung mit Wasser (Aufweichen, Verschlammung) oder auch Zerfallserscheinungen von Festgesteinen. Besonders zu beachten sind der Übergang von Lockerboden zu Fels, das Auftreten von Hindernissen und der Grundwasserstand einschließlich des Wasserchemismus (pH-Wert, Chlorid- und Sulfatgehalte). Als Hindernisse wertet man sowohl Steine und Blöcke >0,2–0,25 DN oder eine begrenzte Einschaltung von Festgesteinen als auch die Reste früherer Baumaßnahmen (Mauerwerk, Holzreste, Anker, Injektionskörper) im Untergrund. Für die Erkundung von Störkörpern ist auch an geophysikalische Verfahren zu denken (s. Bayer und Harer 2006). In begehbaren Querschnitten sind Hindernisse dieser Art leichter zu beherrschen als in kleineren Vortrieben. Im ungünstigen Fall muss ein Störkörper über eine „Hindernisbaugrube“ beseitigt werden (Irmler 2011). Auch auf Schadstoffkontaminationen von Boden, Grundwasser und Bodenluft ist zu achten. Zu den geotechnischen Fragestellungen bei einem grabenlosen Leitungsbau, die sich aus der Baugrund- und der Grundwassersituation ergeben, gehören insgesamt: 44Vortriebserschwernisse (Ortsbrustinstabilität, Rohrmantelreibung), 44Beherrschen von Hindernissen, 44Belastungen auf den Vortrieb (Überdeckung, Verkehr, Bebauung), 44Rohrbeanspruchung beim Bau und im Endzustand, 44Grundwassereinfluss (Wasserempfindlichkeit, Wasserhaltung), 44Verschleiß oder Verkleben der Abbauwerkzeuge, 44Einfluss auf die Geländeoberfläche (Setzungen, Verbruchgefahr). Die zur Dimensionierung erforderlichen Kennwerte sind: 44Wichte γ (in kN/m2), 44Steife- oder Verformungsmodul Es, Ev (in MN/m2),

17

44einaxiale Druckfestigkeit qu (in MN/m2,

MPa),

44Scherfestigkeit φ, c (in °, kN/m2), ggf. auch

Adhäsion gem. 7 Abschn. 2.8,

44Bohrbarkeit, mechanische Lösbarkeit, 44Erweichbarkeit, Klebrigkeit (7 Abschn. 17.2.9).

Die Wahl des Vortriebsverfahrens ist Sache des Auftragnehmers. Die Zielgenauigkeit der Vortriebsverfahren ist in der DIN 18 319 in Abhängigkeit vom Nenndurchmesser (DN) vorgegeben und beträgt vertikal ± 20–50 mm und horizontal ± 25–200 mm. Wird aus betrieblichen Gründen eine bestimmte Lagegenauigkeit verlangt, so müssen steuerbare Techniken eingesetzt werden, mit denen die Lage des Vortriebs kontrolliert und ggf. korrigiert werden kann (s. Pfeff 2013). Die kleinste grabenlose Vortriebstechnik sind Erdraketen mit Durchmessern von 45–55 mm, wie sie überwiegend für Hausanschlüsse Verwendung finden. Die nicht begehbaren Verfahren (DN 250– 1200) arbeiten entweder im Bodenverdrängungsverfahren mit einem statisch oder dynamisch arbeitenden Verdrängungskopf oder im Bodenentnahmeverfahren mittels Bohrpressköpfen bzw. Bohrförderschnecken. Die Bodenverdrängungsverfahren eignen sich für Durchpressungen in leicht bis mittelschwer lösbaren Bodenarten, die Entnahmeverfahren mit verschiedenen Bohrköpfen auch für wechselnde Bodenarten und für leichten Fels. Für einen Einsatz unter Grundwasser und im Fels muss auf entsprechende Vortriebsmaschinen zurückgegriffen werden. Bei Durchmessern bis DN 3000 werden sog. Rohrpressvortriebe eingesetzt (Schad et al. 2008). Dabei wird von einem Pressschacht aus ein Rohrstrang mithilfe von hydraulischen Pressen vorgetrieben und der an der Ortsbrust anstehende Boden innerhalb des vorgetriebenen Rohrstrangs maschinell abgebaut und abgefördert. Bei größeren Presslängen müssen Zwischenpressstationen (sog. Dehnerstationen) vorgesehen werden (. Abb. 17.65). Ihr Abstand (80–200 m) ist abhängig von der Bodenbeschaffenheit (Mantelreibungswerte für erdfeuchten Boden 20–30 kN/m2, im

700

Kapitel 17 · Tunnelbau

. Abb. 17.65  Schema eines Rohrvortriebs (Firmenprospekt)

17

Grundwasser 5–15 kN/m2 der Rohrmantelfläche, 7 Abschn. 8.4), der Überlagerungshöhe und dem Rohrdurchmesser. Zur Abminderung der Reibungskräfte zwischen Boden und Rohrstrang wird ein gewisser Überschnitt gefahren und eine Schmierung mittels Bentonitsuspension eingesetzt (Stratemeier et al. 2014 und bes. Praetorius und Schößer 2015). Bei längeren Vortrieben erfolgt der Rohrvortrieb bei diesen Durchmessern meist durch ferngesteuerte (oder bemannte) Rohrvortriebsmaschinen, die dem ersten Rohr vorgeschaltet sind. Je nach Untergrundaufbau (bindige oder nicht bindige Bodenarten, Fels) und der Lage des Grundwasserspiegels werden Teilschnittmaschinen mit Trockenabbau (Schrämmarme, fräsende oder grabende Abbaugeräte) oder Vollschnittmaschinen mit Nassförderung (Slurry-Prinzip) eingesetzt (7 Abschn. 17.6.4.2). Das Abfördern des abgebauten Materials erfolgt durch Spülförderung mittels Pumpen. Bei den Bohrkopfarten werden Lockergesteinsbohrköpfe mit Schurfzähnen und Spaltmeißeln, Mischbohrköpfe mit zusätzlichen Rollen- und Diskenmeißeln für Steineinlagerungen und Felsbohrköpfe für vollflächigen Felsabbau unterschieden. Auch Druckluftvortriebe kommen zum Einsatz. Als Universalschilde, die nahezu alle Möglichkeiten des Untergrundaufbaus abdecken sollen, gelten auch hier Mixschilde oder sog. Varioschilde

(Stein et al. 2006). Außer den Vortrieben mit einem nachgepressten Rohrstrang kommt auch Tübbingausbau mittels Betonsegmenten zur Anwendung. Eine andere Verfahrenstechnik ist das sog. Direct Pipe, eine Kombination aus Microtunnelling und Horizontal Directional Drilling (HDD), bei dem in einem Arbeitsschritt sowohl der Bodenabbau als auch der Einzug der Pipeline erfolgt. Rohrvortriebe sind nicht frei von Setzungen, die sich in Form von flachen Setzungsmulden in Längs- und Querrichtung zur Trasse entwickeln. Das Setzmaß ist abhängig vom Untergrundaufbau, von der Überlagerungshöhe, vom Rohrdurchmesser und vom Vortriebsverfahren. Die zu erwartenden Setzungen sind meist nur gering. 17.6.5.2 Horizontalbohrtechnik

Die Horizontalbohrtechnik ist heute ein eigenständiges Bauverfahren. Dabei handelt es sich um ein gesteuertes Bohrverfahren, mit dem in Spülbohrtechnik über eine Pilotbohrung und weitere Aufweitungsbohrungen ein durch die Bohrspülung gestütztes Bohrloch hergestellt wird. Anschließend werden die vorgesehenen Leitungen eingezogen und der Ringraum sowie eventuelle bohrbedingte Hohlräume mit einer hydraulisch abbindenden Suspension verfüllt.

701 17.7 · Ausbrucharbeiten bei konventionellem Tunnelvortrieb

Die Richtungsungenauigkeit darf nach DIN 18 324 höchstens 10 % der maximalen Tiefenlage betragen und für den Austrittspunkt 2 % der Baulänge, max. 5 m. Bei der HDD-Technik (Horizontal Directional Drilling) erfolgt der Antrieb mittels spezieller, durch die Bohrspülung angetriebener Bohrlochsohlen-Motoren (engl. „mud motors“). Hinter der Bohrturbine befindet sich ein sog. Benz (Knick), über den die Bohrrichtung vom Gelände aus gesteuert werden kann. Die üblichen Durchmesser liegen bei 270 mm (10 5/8“) bzw. 301 mm (12 1/4“). Größere Querschnitte werden beim Zurückziehen des Bohrstrangs mittels Aufweitungsköpfen in ggf. mehreren Arbeitsschritten aufgeweitet. Die Auswahl der HDD-Anlage, der optimalen Bohrwerkzeuge und der Bohrspülung (Bentonitsuspension) muss auf die Verlegeaufgabe (Länge, Tiefe, Verlauf) und den Baugrund abgestimmt sein (Bayer und Harer 2006; Bayer 2008; Naujoks 2011). Die Technik des Hartgesteinsbohrens hängt nicht nur von der Gesteinshärte (Gesteinsdruckfestigkeit) und vom Bindemittel ab, sondern besonders von Hart-WeichWechseln und auch vom Trennflächengefüge. Offene Klüfte können Spülungsverluste bewirken. Grobe Kiese sind mit diesem System nur bedingt bohrbar. Auch Flussgerölle und Blockin-Matrix-Gesteine (7 Abschn. 3.2.2) stellen hohe Anforderungen an die Bohrtechnik. Für die Baugrunderkundung gelten vergleichbare Bedingungen wie für einen Rohrvortrieb. In den geologischen Längsschnitt mit der geplanten Bohrlinie ist der Schichtaufbau in Form von Homogenbereichen gem. 7 Abschn. 3.3 einzutragen (7 Abschn. 17.6.5.1). Für erdstatische Berechnungen werden i. d. R. benötigt: 44Wichte y (in kN/m2), 44Steife- oder Verformungsmodul Es, Ev (in MN/m2), 44Scherfestigkeit φ, c (in ° bzw. kN/m2). Die Auswahl des Bohrverfahrens und der Werkzeugeinsatz sind Sache des Auftragnehmers. Bezüglich Bauausführung, Dokumentation und Kontrolle wird auf die DIN 18 324 verwiesen.

17

17.7 Ausbrucharbeiten

bei konventionellem Tunnelvortrieb

Bei einem konventionellen Tunnelvortrieb erfolgt der Ausbruch je nach Standfestigkeit des Gebirges im Vollausbruch oder durch die klassische Unterteilung des Tunnelquerschnitts in Kalotte, Strosse und Sohle. In stark nachbrüchigen Gebirgsarten werden auch kleinflächige Teilausbrüche vorgenommen ( 7 Abschn. 17.8.1 ). Das Lösen des Gebirges geschieht mechanisch (Tunnelbagger, Tellschnittmaschinen) oder im Sprengvortrieb, wobei das Gebirge so schonend wie möglich zu behandeln ist. Um das festgelegte Ausbruchprofil trotz möglicher Setzungen einzuhalten und Stellen mit Unterprofil zu vermeiden, wird ein gewisses Überprofil (Mehrausbruch) eingeplant. 17.7.1

Bagger und Sprengvortrieb

In reißbaren Gebirgsarten erfolgt der Vortrieb mittels spezieller, für die Verhältnisse im Tunnel angepasster Tunnelbagger. Dieser weitgehend erschütterungsfreie Vortrieb hält die Gebirgsauflockerung und den dadurch bedingten Verformungsanteil gering und ermöglicht in wenig standfesten und verformungsanfälligen Gebirgsarten erst einen wirtschaftlichen bergmännischen Vortrieb. Die Abschlagslängen werden der Gebirgsstandfestigkeit angepasst (0,6–1,2 m). Die Grenze zum Sprengvortrieb liegt da, wo der Aufwand des mechanischen Lösens zu groß und unwirtschaftlich wird. In Übergangsbereichen kann auch eine Kombination mit Sprengvortrieb vorgenommen werden. Bei einem Sprengvortrieb werden folgende, sich rhythmisch ablösende Arbeitsphasen unterschieden: 44Bohren, 44Laden und Sprengen, 44Beräumen und erste Sicherungsarbeiten, 44Schuttern und Fördern, 44Einbringen der Sicherung (Spritzbetonausbau).

702

Kapitel 17 · Tunnelbau

Das Bohren von Spreng- und Ankerlöchern ist der entscheidende Zeitfaktor für einen Sprengvortrieb. Die gebirgsbedingte Bohrbarkeit wird in 7 Abschn. 17.2.9.1 behandelt. Der Verschleiß der Bohrkronen besteht je nach Gebirgsbeschaffenheit in einem 44Verschleiß der Hartmetallstifte, 44Verschleiß des Bohrstahls (Kaliberverschleiß), 44Ausbrechen von Stiften aus den Bohrkronen.

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Die Bohrarbeit ist allerdings nicht nur von geologischen Faktoren abhängig, sondern auch von einer auf das Gestein abgestimmten Werkzeug-Meißel-Kombination (Maschinenparameter) und der Bedienung der Bohrgeräte (Thuro und Spaun 1997; Plinninger 2008). Die üblichen Längen der Bohrlöcher betragen bei den axialen Sprengbohrlöchern bis 4 m und bei den radialen Ankerbohrlöchern 3–12 m. Die Bohrdurchmesser sind vom Verwendungszweck abhängig und liegen zwischen 35 und 51 mm. Bohrungen für Sprenglöcher haben meist einen Durchmesser von 45–48 mm. Ankerbohrlöcher weisen i. d. R. Durchmesser von 38 mm (Swellex-Anker) bis 45–48 mm (SN-Anker) auf. Das Standardbohrverfahren für einen Sprengvortrieb ist das hydraulische Drehschlagbohren. In Tonschiefern und Sandsteinen sind Bohrgeschwindigkeiten von 2–4 m/min üblich. In harten granitischen Gesteinen werden Bohrleistungen von 1,0–2,5 m/min erreicht. Die Tendenz geht dabei in Richtung computergestützter und datenaufzeichnender DreiarmBohrgeräte mit richtungsgenau (± 50 mm) arbeitenden Bohrhämmern, die ein genaues Bohrbild ermöglichen. Diese Geräte können bei geologisch bedingten Unregelmäßigkeiten des Gebirges an der Ortsbrust auf manuellen oder halbautomatischen Betrieb umgestellt werden (Brem und Gattermann 2006 und 2007). Ebenso wie das Bohrverfahren muss auch die Sprengtechnik auf die Querschnittsgröße und auf das Gebirge abgestimmt sein. Im Tunnelbau werden patronierte oder pumpbare Emulsionssprengstoffe (EMS, unter verschiedenen Produktbezeichnungen) verwendet.

Der Erfolg einer Sprengung hängt wesentlich vom Bohr-, Lade- und Zündschema ab (Müller und Pipping 2011). Die elektronischen Zündsysteme bewirken, dass die einzelnen Sprengladungen eines Abschlags mit zeitlicher Verzögerung nacheinander aktiviert werden, die Erschütterung des Gebirges damit abgemindert wird und bessere Haufwerkseigenschaften (Stückigkeit) erreicht werden. Um die Verspannung des Gebirges zu überwinden und freie Flächen für die nachfolgenden Ladungen zu schaffen, sind verschiedene Einbruchsarten üblich, und zwar Schrägeinbrüche (Kegeleinbruch, Keileinbruch, Fächereinbruch) oder die tunnelaxial gebohrten Paralleleinbrüche (Brennereinbruch). Der Bohrlochaufwand, d. h. die Anzahl der Bohrlöcher je Quadratmeter Ausbruchquerschnitt (1/m2), ist abhängig vom Tunnelquerschnitt, von der Sprengbarkeit des Gebirges, von der Sprengstoffart und vom Patronendurchmesser. Von denselben Faktoren hängt auch der Sprengstoffbedarf in kg/m 3 Gestein ab. Um arbeitstechnisch bedingten Mehrausbruch zu vermeiden, werden beim profilgenauen Sprengen die Außenkranzlöcher an der Profillinie in engeren Abständen gebohrt und erhalten eine geringere Vorgabe zum Innenkranz sowie eine schwächere Ladung (häufig nur Sprengschnüre mit 80 oder 100 g Füllgewicht je Meter). Die Abschlagslängen sind abhängig von der Querschnittsgröße und dem Gebirge. Sie betragen bei großen Querschnitten in standfestem Gebirge i. d. R. 2–4 m. Bei größeren Abschlagstiefen nehmen der Sprengstoffverbrauch und die Gebirgszerrüttung stark zu. In stärker nachbrüchigem und gebrächem Gebirge müssen die Abschlagslängen auf 1–2 m verringert werden. Die Stärke der Sprengerschütterungen beim Tunnelvortrieb hängt ab vom Verhältnis Ausbruchquerschnitt/Abschlagtiefe, vom eingesetzten Sprengstoff, von der Lademenge, von der Entfernung und vom Gebirge. Beim Gebirge ist die Gebirgsqualität (Schallhärte, Klüftigkeit) für die Größe der ausgelösten Erschütterungen und die Streichrichtung der geologischen Strukturen (Klüfte, Störungszonen) für die Ausbreitung der Erschütterungsenergie maßgebend

703 17.7 · Ausbrucharbeiten bei konventionellem Tunnelvortrieb

(7 Abschn. 6.5.5). Wenn eine Begrenzung der Erschütterungen erforderlich wird, müssen das Abschlagsvolumen reduziert, entsprechende Sprengstoffe eingesetzt, der Einbruch optimiert, die Lademenge begrenzt und die Zündintervalle gestreckt werden. Letzteres bewirkt, dass die Erschütterungswirkung auf eine größere Zeitspanne (einige Sekunden) verteilt wird, wodurch die Spitzenwerte der Schwinggeschwindigkeit verringert werden (s. a. Müller et al. 2014). Die Kontrolle erfolgt über Erschütterungsmessungen an den betroffenen Objekten (s. Brem und Gattermann 2006; Müller und Pipping 2011; Simon und Joos 2012). Nach dem Sprengen und der Bewetterungspause werden die Ortsbrust und die Hohlraumlaibung mit einem Tunnelbagger nachprofiliert und von lockeren Felsbrocken beräumt. Durch dieses maschinelle Beräumen wird die Arbeitssicherheit im zunächst ungesicherten Vortriebsbereich wesentlich erhöht. Beim anschließenden Schuttern darf nach den Unfallverhütungsvorschriften außer der Bedienungsmannschaft kein weiteres Personal vor Ort sein. 17.7.2

Profilhaltung und Mehrausbruch

Profilhaltung und Mehrausbruch hängen ab vom Ausbruchverfahren (Bohrgenauigkeit), von der Gesteinsausbildung und vom Trennflächengefüge sowie von dem Winkel, unter dem die Haupttrennflächen geschnitten werden. Je mürber ein Gestein ist, umso maßhaltiger ist es. Gesteinshärte, Wechselschichtung und ungünstige Trennflächen setzen die Maßhaltigkeit herab und verursachen Mehrausbruch. Beim Mehrausbruch wird unterschieden zwischen: 44vermeidbarem (z. B. arbeitstechnisch bedingtem und mit wirtschaftlichen Mitteln vermeidbarem) Mehrausbruch, 44nicht vermeidbarem, geologisch bedingtem Mehrausbruch und 44vorhersehbarem und nicht vorhersehbarem Mehrausbruch.

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Geologisch bedingter Mehrausbruch wird durch geologische Faktoren verursacht, z. B. durch Wechselschichtung, große oder wechselnde Gesteinshärte, ungünstig verschneidende Trennflächen und besonders Großklüfte und Zerrüttungszonen sowie Wassereinbrüche oder Karsthohlräume. Er ist, soweit er vorhersehbar ist, in die Ausbruchpreise einzurechnen. Vermeidbarer Mehrausbruch entsteht durch unsachgemäßes Arbeiten wie nicht profilgerechtes Bohren, Überladen von Bohrlöchern, zu große Abschlagslängen, Vermessungsfehler u. a. m. Um den vorhersehbaren Mehrausbruch abzudecken, wird in der Ausschreibung, über das Regelprofil hinaus, ein Überprofil festgelegt (. Abb. 17.66). Das Übermaß (Ü) ist der Mehrausbruch, der über das Regelausbruchprofil hinaus auszubrechen ist, damit dieses nach der Gebirgsentspannung und den Gebirgsverformungen noch voll zur Verfügung steht. Das Übermaß beträgt je nach den zu erwartenden Gebirgsverformungen 20 cm bis z. T. 50 cm. Darüber hinaus kann für die einzelnen Gebirgsklassen ein Grenzprofil bzw. Toleranzmaß (G) von einigen Dezimetern festgelegt werden, innerhalb dessen ein Ausbruch als machbar angesehen wird (s. DIN 18 312 und ÖNORM B 2203-1). Innerhalb des Überprofils (Ü) oder des Grenzprofils (G) ist jeder Mehrausbruch einzukalkulieren und wird nicht gesondert vergütet. Erst darüber hinaus wird geologisch bedingter Mehrausbruch aufgemessen und vergütet.

. Abb. 17.66  Definition des Mehrausbruchs in Form von Übermaß (Ü) und Toleranzmaß (G)

704

Kapitel 17 · Tunnelbau

Die Begriffe und das Aufmaß werden je nach Projekt unterschiedlich gehandhabt und sind in der Ausschreibung unmissverständlich festzulegen. Vergütung erfolgt i. d. R. nur für den nicht vorhersehbaren und nicht vermeidbaren, geologisch bedingten Mehrausbruch, der über das ausgeschriebene Profil (Ü oder G) hinausgeht. Der geologisch bedingte Mehrausbruch wird bei der ingenieurgeologischen Ortsbrustaufnahme bewertet und bestätigt. Mit einem hochauflösenden Laserscanner können nach dem Abschlag eine Kontrolle der hergestellten Geometrie (Ausbruchflächen) und eine exakte Volumendokumentation des Mehrausbruchs erfolgen. Die endgültige Profilkontrolle des Spritzbetonausbaus vor Einbringen der Innenschale erfolgt mit einem Tunnelscanner, mit dem nicht nur Abweichungen vom Sollprofil (Unter- bzw. Überprofil), sondern auch die Unebenheiten der Spritzbetonoberfläche flächenhaft ausgewertet und dargestellt werden können. Allgemein werden unterschieden: 44ausbruchsbedingtes Überprofil, 44geologisch bedingtes Überprofil, 44nachzuarbeitendes Unterprofil.

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Unterprofil muss der Unternehmer durch Nachprofilieren beseitigen, Überprofil verursacht nicht nur einen größeren Betonbedarf sowie erhöhte Transport- und Deponiekosten, sondern muss vorab ausgeglichen werden, damit die maximal erlaubte Abweichung der Dicke des Innengewölbes (meist 15–20 cm), insbesondere auch Horizontalverformungen der Kalottenfußmessbolzen. Dabei können die Kalottenfüße abscheren, was

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. Abb. 17.69  Vortriebsschema mit geschlitzter Fahrrampe

eine schlagartige Schwächung des Tragsystems bedeutet. Eine Kalottensohle muss außerdem beim nachfolgenden Strossenausbruch wieder entfernt werden, was in einem Gebirge mit geringer Scherfestigkeit einen für die Standsicherheit kritischen Bauzustand bedeutet. Die zulässige Länge des offenen Bereichs (ohne Ringschluss) ist dementsprechend zu begrenzen. Ein Kalotten-Strossen-Vortrieb mit geschlitzter Fahrrampe ist in einem solchen Fall zu vermeiden (. Abb. 17.69). Anstelle des baubetrieblich hinderlichen Einbaus einer Kalottensohle werden auch sog. Kalottenfußpfähle eingesetzt. Hierbei werden in einem Abstand von 0,5–1,0 m Selbstbohrinjektionsanker von etwa 4 m Länge schräg nach außen durch einen verbreiterten Gewölbefuß gebohrt. Durch die Zementverpressung soll ein mittragender Mikropfahl entstehen (. Abb. 17.76). 17.8.2

Ankersicherung

Die Ankersicherung ist wie der Spritzbeton eine unverzichtbare Ausbaumethode, die ebenfalls rasch eingebracht werden kann und ein wirkungsvolles und wirtschaftliches Stützmittel darstellt. Im Tunnelbau wird meist noch mit halbmechanisierter Ankertechnik gearbeitet, d. h. mit maschinellem Bohren und manuellem Ankersetzen. Die vollmechanisierte Ankersetztechnik mit maschinellem Bohren und maschinellem Ankersetzen steckt noch

708

Kapitel 17 · Tunnelbau

in den Anfängen. Sie erfordert außerdem ein streng systematisches Anordnungsschema der Anker. 17.8.2.1 Einteilung und Wirkungs-

weise der Kurzanker

Im Gegensatz zum Felsbau über Tage, wo überwiegend Tiefenanker Verwendung finden, werden im Tunnelbau fast ausschließlich Kurzanker eingesetzt. Ihre Einteilung erfolgt nach folgenden Gesichtspunkten: 44Verwendungszweck (Ausbauanker, Sicherungsanker, Anker zur Gebirgsverbesserung bzw. Systemanker oder Einzelanker), 44Wirkungsweise (Verbundanker, Anker mit freier Dehnstrecke), 44Art der Kraftübertragung (mechanisch wirkende Anker, Mörtelverbundanker, Kunstharzklebeanker, Injektionsanker, Reibungsanker), 44Ankerkraft (vorgespannte, angespannte oder schlaffe Anker), 44Werkstoff des Ankerschaftes (Stahlanker, glasfaserverstärkte Kunststoffanker sog. GFK-Anker), 44Einsatzdauer (Kurzzeitanker, Daueranker).

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Die üblichen Längen von Kurzankern betragen 3–12 m, meist 4–8 m, der Schaftdurchmesser 16–32 mm, meist 20–24 mm, der Bohrlochdurchmesser entsprechend 32–51 mm. Die Tragkraft beträgt bei den Kurzankern 100–150 bzw. 200–250 kN, bei Stabankern hoher Tragkraft bis 600 kN. Kurzanker werden i. d. R. nur für vorübergehende Zwecke (bis zu 2 Jahren) eingesetzt. Sollen sie als Daueranker wirken, sind besondere Anforderungen an den Korrosionsschutz zu stellen. Als Maßnahmen zur Verlängerung der Nutzungsdauer werden Verzinken, eine Epoxidharz- oder Pulverbeschichtung bzw. ein Abrostungszuschlag von 2 mm diskutiert. Bei der Verarbeitung ist darauf zu achten, dass der Korrosionsschutz nicht beschädigt wird. Außerdem sollten die Ankerstangen vollständig mit Ankermörtel umhüllt sein.

Anker mit freier Dehnstrecke sind Ankerstäbe, die nur im Bohrlochtiefsten befestigt werden. Die freie Dehnstrecke kann später vermörtelt werden. Anker werden auf Zug- und Scherbelastung ausgelegt. Bei handfest angespannten Ankern ist eine gewisse Verformung des Gebirges erforderlich, um den Anker zum Abtragen der Kräfte zu mobilisieren. Sollen die Verformungen gering gehalten werden, so müssen die Anker nach dem Abbinden entsprechend vorgespannt werden, wobei Vorspannkräfte auf ⅔ der Tragkraft üblich sind. Verbundanker sind Ankerstäbe, die in vermörtelten Bohrlöchern versetzt und nach dem Erhärten des Mörtels handfest angezogen werden (SN-Anker, Rohrinjektionsanker, IBOAnker). Ihr Wirkungsprinzip beruht bevorzugt auf einer Verbesserung der mechanischen Gebirgseigenschaften, indem sie die Steifigkeit (Kohäsion) des Gebirges verbessern. Die Wirkung von Kurzankern besteht darin, dass der Verbund Spritzbeton/Gebirge und damit die Tragfähigkeit und das Verformungsverhalten der Spritzbetonschale verbessert werden. Durch wirkungsvolle Behinderung der Kluftkörperbeweglichkeit wird die Gebirgsauflockerung reduziert und die Verbandsfestigkeit des Gebirges im „Postfailure“-Bereich weitgehend erhalten. Außerdem wird die Gebirgsscherfestigkeit verbessert, und zwar sowohl durch die Scherkraft der Ankerstäbe (Bewehrungskohäsion) als auch durch Mobilisierung der Normalkraft, sodass im günstigen Fall die Spitzenscherfestigkeit auf Trennflächen aktiviert wird. Eine frühzeitig eingebaute Systemankerung bewirkt, dass die Spannungsumlagerung im Gebirge ohne größeren Festigkeitsverlust abläuft, und sie verhindert, dass vorhandene Trennflächen aktiviert werden und sich die Verformungen auf diese Trennflächen konzentrieren. Die Ankerung verhindert außerdem die Neubildung von Bruchflächen und unterdrückt die Rissausbreitung. 17.8.2.2 Ankertypen

Die Eignung der verschiedenen Kurzankertypen (. Abb. 17.70) ist für die einzelnen Gebirgsarten unterschiedlich und auf der Baustelle durch

709 17.8 · Sicherungsarbeiten, Gebirgsvergütung

. Abb. 17.70  Im Tunnelbau verwendete Kurzankertypen (Firmenprospekt)

vergleichende Versuche unter Beachtung der einschlägigen Vorschriften zu prüfen. Mechanisch wirkende Spreizanker oder Expansionsanker verlangen eine ausreichende Druck- und Scherfestigkeit des Gesteins, das gleichzeitig spröde genug sein muss, damit sich die Spreizelemente im Gestein verbeißen können und dieses nicht unter der hohen Dauerbelastung zerbricht. Engständige Klüftung oder offene Klüfte sind ungünstig; Wasserzutritt schadet in nichterweichbaren Gesteinen nicht. Als selbstbohrender Expansionsanker ist der EDI-Anker auf dem Markt, der nachträglich auch injiziert werden kann. Mörtelgebettete Verbundanker eignen sich in weniger festen und auch erweichbaren Gesteinen sowie bei engständiger Klüftung bzw. in ausgebrochenen Bohrlöchern. Nasse Bohrlöcher schaden nicht, doch darf keine Ausspülung des Zementleims auftreten. Mörtelanker haben eine bestimmte Abbindefrist, bis ihre Tragwirkung voll erreicht wird. Üblich sind Mörtelmischungen, bei denen die Anker nach spätestens 6 Stunden die volle Tragkraft erreichen. Schnell härtende Ankermörtel können nach etwa 1 Stunde teilweise angespannt werden. Einer der am weitesten verbreiteten Mörtelanker ist der sog. SN-Anker (benannt nach dem Kraftwerk Store-Norfors in Nordschweden), bei dem ein 48-mm-Bohrloch pneumatisch mit

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Mörtel gefüllt und danach der Anker eingetrieben wird. Klebeanker mit Kunstharzklebepatronen haben eine ähnliche Anwendungsbreite wie Mörtelanker. Mit Klebepatronen fixierte Anker lassen sich aber bereits nach wenigen Minuten belasten. Versuche mit Kunstharzankern haben besonders in feinkörnigen und geschieferten Gesteinen (Tonschiefer) hohe Tragfestigkeiten ergeben, während die Werte in gröberkörnigen Gesteinen (Sandstein, Glimmerschiefer) deutlich niedriger lagen (Slatalla und Alber 2007). In nassen Bohrlöchern ist die Haftung oft unzureichend. Eine wesentliche Verbesserung der Ankertechnik brachten die Rohrreibanker mit sofort wirkendem mechanischem Kraftschluss. Sie können auch in milden Tonschiefern, Tonsteinen und absandenden Gesteinen eingesetzt werden. Zu den Rohrreibankern gehört in erster Linie der sog. Swellex-Anker. Er besteht aus einem über seine ganze Länge eingestülpten Stahlrohr, das im Bohrloch mit 300 bar Wasserdruck ausgeformt und mit dem Gebirge in Kontakt gebracht wird. Auf diese Weise trägt der Swellex-Anker über seine ganze Länge Kräfte ab (. Abb. 17.71). Swellex-Anker werden für verschiedene Lochdurchmesser (32–52 mm) und Belastbarkeiten (100–200 kN) in Standardlängen bis 8 m angeboten. Außerdem gibt es davon einen mit einem speziellen Korrosionsschutz beschichteten Langzeitanker. Einen wesentlichen Fortschritt stellen die sog. selbstbohrenden Injektionsanker oder Injektionsbohranker dar, die besonders in stark zerklüfteten gebrächen Gebirgsarten von Vorteil sind, in denen die normalen Ankerbohrlöcher nicht über größere Längen stehen (7 Abschn. 17.2.9.1). Bei diesen Ankern ist eine innen gelochte Einmalbohrstange mit einer verloren gehenden Bohrkrone bestückt, deren Schneidenformen auf das Gebirge abgestimmt sind. Das Stahlzugglied ist über Muffen auf 8 m bzw. 12 m verlängerbar. Mit Selbstbohrankern steht ein Ankertyp zur Verfügung, mit dem auch in schlechten Gebirgsverhältnissen ein tragfähiger Anker gesetzt werden kann.

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Kapitel 17 · Tunnelbau

. Abb. 17.71  Wirkungsweise eines Swellex-Ankers im Gebirge (Firmenprospekt)

. Abb. 17.72  Darstellung eines IBO-Injektionsankers (oben) und eines EDI-Expansionsankers (unten) mit Wirkungsweise des Expansionselements: (1) Pfeilbohrkrone, (2) Expansionselement, (3) Ankerkomponente, (4) Mutter, (5) Zugglied

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Die am häufigsten verwendeten Selbstbohrinjektionsanker sind der TITAN-Anker sowie der IBO-Anker ( Injektions- Bohr- Anker; . Abb. 17.72) und seine Weiterentwicklungen (IBI-Anker = Injektions-Bohr-Anker mit Innengewinde) und insbesondere der RotationsInjektions-Anker (RIA), bei dem durch Drehen während des Injektionsvorgangs der Anker nicht auf der Bohrlochsohle zum Aufliegen kommt und eine einwandfreie Mörtelumhüllung des Zuggliedes erreicht wird. Die IBO-und IBI-Anker ohne oder mit Rotationsinjektion können über spezielle Nachverpressmuffen mehrfach nachverpresst werden. Der IQ-Selbstbohrinjektionsanker mit Silikatharz härtet sofort aus und kann umgehend belastet werden. In Gebirgsarten mit großen Verformungen gem. 7 Abschn. 17.5.5.1 können lange Anker überbeansprucht werden und abreißen. Für diese Fälle stehen nachgiebige Anker mit Gleitkopf o. Ä. zur Verfügung.

Glasfaserverstärkte Kunststoffanker (GFKAnker) weisen eine hohe mechanische Festigkeit und ein günstiges Langzeitverhalten (Korrosionsbeständigkeit) auf. GFK-Vollgewindeanker werden als Vollstabanker (Füllmörtel- oder Klebeanker), als Hohlstabinjektionsanker und auch als Selbstbohranker angeboten. GFK-Anker sind leicht zerspanbar, sodass sie gern als Ortsbrustanker eingesetzt werden. 17.8.2.3 Einzel- und Systemankerung Die Anordnung von Ankern ist auch heute

noch weitgehend Ermessenssache. Richtung und Länge der Anker hängen von dem Zweck ab, den sie erfüllen sollen, und vom Trennflächengefüge. Anker sollen nie allein auf Zugkraftmaximierung ausgerichtet sein, sondern so, dass sie die Verbundkontakte und Reibungswiderstände auf Trennflächen erhöhen. Der zu sichernde Bereich soll möglichst auf kürzestem Wege durchfahren werden. Die Anker sollen

711 17.8 · Sicherungsarbeiten, Gebirgsvergütung

dabei möglichst senkrecht auf den Trennflächen, besonders auf der zu sichernden Ablösungsfläche stehen. Zur Verhinderung von Auflockerung und Erhöhung der Gebirgstragfähigkeit sollen Anker frühzeitig und möglichst radial gesetzt werden. Außerdem müssen die Ankerplatten rechtwinklig zur Kraftrichtung satt anliegen, was notfalls durch ein Mörtelbett erreicht werden kann. Im Tunnelbau werden Einzel- und Systemankerung unterschieden. In guten Gebirgsklassen erfolgt Einzelankerung Eine solche „Blockaufhängung“ erfordert eine strenge Anpassung an das Trennflächengefüge, wobei es sehr schwierig ist, die Verschneidung signifikanter Flächen und die darauf wirkenden Reibungskräfte abzuschätzen. Außer dem Aufhängen von Einzelkluftkörpern kommt auch eine flächenhafte Sicherung lokaler Ablösungen (sog. Sargdeckel) oder mehr oder weniger spannungsloser Gebirgsbereiche über der Firste in Betracht (. Abb. 17.73). Die Sicherung einzelner Kluftkörper, auch der sog. Schlüsselsteine, erfolgt dabei durch die Spritzbetonschale. Auch Spannungskonzentrationen durch Querschnittsänderungen oder an Rissen bzw. Längsschlitzen im Spritzbeton können durch Einzelanker abgedeckt werden. Da es i. Allg. schwierig ist, vorab anzugeben, wo bruchhafte Ablösungen bzw. welche Art von Brüchen zu erwarten sind und wie tief die

. Abb. 17.73  Sicherung spannungsloser Gebirgsbereiche durch Firstanker

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Brucherscheinungen ins Gebirge reichen, wird in weniger guten Gebirgsklassen Systemankerung angewendet. Eine Systemankerung kann bei entsprechender Ankerdichte und -länge alle Wirkungen gleichzeitig abdecken. Die entscheidende Wirkung einer frühzeitig eingebauten Systemankerung besteht in der Behinderung einer Gebirgsauflockerung und in der Bewehrung des Gebirges, die einer Gebirgsvergütung gleichkommt. Die Anordnung der Ankerdichte (Anker/m 2 ) oder Anzahl der Anker pro Abschlag (Bogenfeld bzw. Laufmeter Tunnel, mit Skizze für die Ankeraufteilung) sowie die Festlegung der Ankerlänge erfolgen meist empirisch nach den Gebirgsklassen ( 7 Abschn. 17.3.1 ). Die Ankerlänge ist dabei so ausreichend zu wählen, dass sowohl mögliche Felskeile als auch nicht direkt erkennbare seitliche Gleitflächen größerer Ausdehnung abgedeckt sind (7 Abschn. 17.5.4). Insgesamt hat sich in den letzten Jahren die Meinung durchgesetzt, dass eine verstärkte Ankerung einer Kalottenfußverbreiterung und auch dem Einbau eines Kalottensohlgewölbes vorzuziehen ist. Anker sind auch ein schnell einzubringendes und wirksames Mittel zur Ausbauverstärkung, wenn große Anfangsverformungen auftreten. Durch rechtzeitige Nachankerung (Erhöhen der Ankerdichte, Einsatz längerer Anker) können die Verformungen meist deutlich gebremst werden. Für Nachankerungen werden häufig Füllmörtelanker mit sofort abbindenden Kunstharzpatronen im Bohrlochtiefsten verwendet. Obwohl es bis heute nicht möglich ist, die Ankerwirkung bzw. die Gebirgsverbesserung durch die Ankerung zu quantifizieren, werden Anker in FE-Berechnungen entweder als diskrete Stabelemente nachgebildet, oder in der geankerten Zone um die Tunnelschale wird vereinfacht eine Erhöhung der Kohäsion angesetzt. Bei seicht liegenden Tunneln in Mittelgebirgen und im städtischen Verkehrswegebau kann man bei kleinen Querschnitten auf eine Ankerung verzichten, wenn die Überlagerungslasten allein vom Spritzbetonausbau aufgenommen werden können. Bei großen Querschnitten

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Kapitel 17 · Tunnelbau

. Abb. 17.74  Lange Ortsbrustanker und Systemankerung bei einem tief liegenden Hochgebirgstunnel

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empfiehlt sich auf jeden Fall eine Ankerung der Kämpferbereiche. Die Zweckmäßigkeit und volle Wirkung von Firstankern ist nur bei sofortigem Einbau gegeben. Bei tief liegenden Tunneln und konvergierendem Gebirge wird allgemein mit intensiver Brustsicherung (lange Ortsbrustanker) und einer engständigen Systemankerung mit Ankerlängen von 8–12 m (. Abb. 17.74), nötigenfalls auch im Sohlbereich, gearbeitet, um das im Gebirge vorhandene Festigkeitsdefizit zu verbessern. Bei druckhaftem Gebirge mit anhaltend großen Verformungen arbeitet man außer mit einem raschen Ringschluss auch mit einer nachgiebigen Ausbruchsicherung mit Stützmitteln mit hohem Deformationsvermögen (7 Abschn. 17.8.1 und Jenni 2004; Pöttler et al. 2006; Ehrbar und Höfle 2008) sowie einer intensiven Systemankerung mit bis zu 12 m langen Radialankern bei Abständen  1m, Länge >50 m) kommen zum Einsatz (Beispiel Stadtbahnerweiterung Dortmund 2015). Außer der Firstsicherung können mit dem Düsenstrahlverfahren auch Ulmenpfähle zur besseren Lastabtragung sowie von der Kalottensohle aus mit überschnittenen DS-Säulen auch abdichtende Sohlgewölbe hergestellt werden (. Abb. 17.76b).

715 17.9 · Baubehelfsmaßnahmen

17.9.2

Gebirgsvergütung durch Injektionen

Durch die Injektionen wird versucht, eine Gebirgsverfestigung und -verspannung und damit eine Verbesserung der mittragenden Wirkung des Gebirges sowie des Verformungsverhaltens zu erreichen. Die Injektionstechnik und die Injektionsmittel sind in 7 Abschn. 7.3 beschrieben. Injektionsmaßnahmen müssen nach Möglichkeit den Herd der größten Verformungen verbessern, d. i. häufig die Auflockerungszone im Kämpfer- und Ulmenbereich. Bei zementhaltigen Injektionsmitteln und stärkerer Grundwasserströmung und/oder gleichzeitigem Einsatz von Wasserhaltungsmaßnahmen müssen Sicherheitsabstände gegenüber zu schützenden Anlagen (Kanäle, Brunnen) eingehalten werden, die je nach den Eigenschaften des Grundwasserleiters bei Lockergesteinen mindestens 10–25 m betragen, im Fels entsprechend der Kluftgeometrie meist wesentlich mehr. Kernfrage ist zunächst immer die Injizierbarkeit des Gebirges und die Abschätzung der Vergütungswirkung. Die Erfahrung zeigt, dass in der oberflächennahen Auflockerungszone bei den üblichen Injektionsdrücken von 5–10 bar häufig schon eine leichte Aufreißwirkung an Ablösungsflächen und damit eine gewisse Injektionswirkung auftritt. Im Kämpfer- und Ulmenbereich können mit 30–45° ansteigend gebohrte Injektionsanker zur Verbesserung der Lastabtragung bzw. gerade in Vortriebsrichtung gebohrte Injektionsanker zur Stabilisierung der Ortsbrust vorgesehen werden. Die einfachste Injektionstechnik ist die Verwendung von Injektionsbohrankern, bei denen das Gebirge auf Ablösungsflächen infolge von Gebirgsauflockerung aufgerissen wird und sich Zementlamellen ausbilden. Ist damit keine Wirkung zu erzielen, so können ggf. Injektionsbohranker mit Gummimanschetten 51/32 mm eingesetzt werden, mit denen Injektionen in 1-m-Schritten vorgenommen werden können (s. Geomechanics and Tunnelling 2013; 6(6): 755). Spezielle Injektionsbohranker mit seitlichen Austrittsöffnungen können auch mit einem schaumbildenden

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Zweikomponenten-Silikatharz verpresst werden, das durch seine Volumenvergrößerung gut abdichtet und mechanisch abbaubar ist (s. geotechnik 36:2, A16). Die verschiedenen Verpressmethoden und ihre Anwendungsgrenzen sind in 7 Abschn. 7.3 beschrieben. Einigermaßen echte Injektionswirkung ist nur mit Manschettenrohren und stufenweiser Verpressung zu erreichen. Dabei sollen bei oberflächennahen Tunneln (Überlagerung bis 20 m) und im Nahbereich des Tunnels (3–4 m) nur Niederdruckinjektionen mit 5–10 bar angewendet werden. Erst im Schutz einer solchen Nahinjektion kann ggf. ein äußerer Injektionsring mit höheren Drücken vorgesehen werden. In Schichtgesteinen reißen dabei allerdings schon die Schichtflächen auf (7 Abschn. 18.4.3). In einem einigermaßen injektionsfähigen Gebirge wird mit Injektionen außer einer Verbesserung der Gebirgsverformungen meist auch eine deutliche Verminderung der Wasserzutritte im Tunnel erreicht (Prinz und Holtz 1989). In oberflächennahen Störungszonen mit Gebirgsauflockerung kommen Verfüllinjektionen, z. T. mit Mörtelpasten und Nachinjektionen mit Zementsuspensionen in Betracht (. Abb. 17.77). Der Verbrauch an Injektionsgut kann mehrere Prozente (bis 10  %, im Ausnahmefall auch >15  %; 7 Abschn. 3.4.3.2) der behandelten Felskubatur erreichen. Bei tektonischer Gebirgsauflockerung und im Einflussbereich von Hangzerreißung mit z. T. spaltenartigen Kluftweiten sollten die Massenansätze für die Verpressmengen entsprechend reichlich angesetzt werden (s. Geissler und Möker 1993). In bedingt injektionsfähigem Gebirge wird häufig das Rock-Fracturing-Verfahren eingesetzt (7 Abschn. 7.3.4). Dabei wird kein homogen durchsetzter Injektionskörper angestrebt, sondern ein bewusstes Aufreißen vorhandener Trennflächen und eine Verspannung des Gebirges zur Erhöhung der Scherfestigkeit und der Steifigkeit. Das Injektionsraster muss entsprechend eng gewählt werden (1,0–1,5 m). Als Verpressgut werden meist feststoffreiche Zementsuspensionen mit geringer Bentonitzugabe

716

Kapitel 17 · Tunnelbau

. Abb. 17.77  Beispiel für eine Injektionsmaßnahme zur Beherrschung einer tektonischen Störungszone im Portalbereich eines Tunnels im Buntsandsteingebirge mit Kluftweiten >10 cm

gewählt. Die Bewertung der Ergebnisse anhand des Injektionsvorgangs und der Verpressgutaufnahme ist meist nicht quantifizierbar. Auch bei Kontrollbohrungen oder -schächten ist i. d. R. wenig Verpressgut auffindbar, wenn sind bevorzugt Schichtflächen aufgerissen worden. Zur sicheren Unterfahrung von Gebäuden werden sog. aktive Gebäudesicherungsmaßnahmen in Form von Hebungsinjektionen (Compensation Grouting) eingesetzt. Sie zählen zu den Niederdruckinjektionen nach dem Prinzip des Hydraulic-Fracturing (7 Abschn. 7.3.4). Dazu werden von verschiedenen Ansatzpunkten aus

(. Abb. 17.78) Bohrungen fächerartig bis unter die Gründung vorgetrieben und im Bereich der zu erwartenden Setzungsmulde über Manschettenrohre in einem ersten Schritt eine definierte Menge eines feststoffreichen hydraulischen Bindemittels eingepresst (Verfüll- und Kontaktinjektion). Durch die Verdichtungswirkung wird eine Gebirgsverbesserung erreicht. In einer zweiten und nötigenfalls dritten Injektionsphase kommt es dann zu einem weiteren Spannungsanstieg und schließlich zu überwachten und steuerbaren Hebungen. Mit einer Vorhebungsinjektion wird nötigenfalls das Gebäude leicht angehoben

17

. Abb. 17.78  Mögliche Ansatzpunkte für Kompensationsinjektionen für eine Gebäudeunterfangung (Firmenprospekt)

717 17.9 · Baubehelfsmaßnahmen

und die während der Unterfahrung auftretenden Setzungen dann mit weiteren Ausgleichsinjektionen so weit reguliert, dass die zulässigen Schiefstellungen bzw. Winkelverdrehungen (7 Abschn. 17.6.4.2) nicht überschritten werden. Dazu müssen durch geeignete Messsysteme sowohl die Injektionsarbeiten (Druck, Menge) gesteuert als auch die Bewegungen des Gebäudes kontrolliert werden (s. 7 Abschn. 5.5.3.5 und Bücker et al. 2006; Fewson und Schumacher 2006; Erichsen et al. 2007; Knitsch 2008, 2011; Maier und Glückert 2009; Wittke und WittkeSchmitt 2009; Tauch et al. 2012; Allgäuer und Galle 2012; Kummerer 2013). 17.9.3

Gebirgsvergütung und temporäre Abdichtung durch Bodenvereisung

In tonigen und feinsandigen Schluffen sowie feinsandig-kiesigen Böden kann zur Stabilisierung und Abdichtung des Bodens um den geplanten Querschnitt oder auch nur in Teilbereichen (z. B. an oder über der Firste, sog. Frostdach) Bodenvereisung eingesetzt werden. Der Gefriervorgang des Porenwassers im Boden ist in 7 Abschn. 12.4.1 beschrieben. Ein geschlossener wasserdichter Frostkörper liefert neben einer Verbesserung der Tragfähigkeit zugleich eine zuverlässige Maßnahme zur Beherrschung des Grundwassers während der Bauzeit. Wirkungsweise und Bemessung von Frostkörpern s. Orth und Müller (2013). Grundsätzliche Voraussetzungen sind die Vereisungsneigung des Bodens, ein gewisser Wassergehalt und eine geringe Strömungsgeschwindigkeit des Grundwassers. Strömendes Grundwasser verzögert durch den konvektiven Wärmeentzug die Aufgefrierphase und erhöht den Aufwand für den Erhalt des Frostkörpers. Die maßgebende Eingangsgröße ist die Grundwasserfließgeschwindigkeit in Form der Filtergeschwindigkeit ν ( 7 Abschn.  2.8.1 ). Diese kann über ein System von Grundwassermessstellen ermittelt werden (Ziegler und Baier 2008 und bes. 2009). Die Durchlässigkeit sollte dabei

17

mittels Feldversuchen bestimmt werden ( 7 Abschn.  2.8.4 ), wobei die unterschiedliche Durchlässigkeit einzelner Schichten zu beachten ist. Die Filtergeschwindigkeiten liegen allgemein bei 0,25–1,5  m/d (7 Abschn. 2.8.6). In das Untersuchungsprogramm sind außerdem Gefrier- und Auftauversuche an Bodenproben zur Abschätzung thermischer Kennwerte sowie Temperaturmessungen in Bohrlöchern aufzunehmen, um den jahreszeitlichen Temperaturverlauf in den betreffenden Tiefenstufen zu erkunden. Als Kälteträger für den Gefriervorgang werden Sole, z. B. 30 prozentige Kalilauge (−40 °C), Kohlendioxid und Ammoniak (−35 °C) oder ein Glykol-Wassergemisch (−25°) verwendet. Bei hoher Grundwasserfließgeschwindigkeit (etwa ab 1 m/d) kommen wegen der kurzen Aufgefrierzeit auch flüssiger Stickstoff (−195 °C) bzw. auch eine Kombination aus Sole- und Stickstoffvereisung zum Einsatz (Schmand et al. 2014). Die meist ± horizontalen Vereisungsbohrungen müssen richtungskontrolliert oder ggf. richtungsgesteuert gebohrt werden. Beim Bohren gegen den Grundwasserdruck werden Preventer eingesetzt (7 Abschn. 4.6). In die Bohrungen werden Gefrierrohre eingebaut, in denen der Kälteträger zirkuliert. Der Abstand der Gefrierrohre kann anhand der thermischen Bodeneigenschaften, der Grundwassersituation, der Temperatur des Kältemittels und der benötigten Frostkörperdicke ermittelt werden. Durch den kontinuierlichen Wärmeentzug bilden sich um die doppelwandigen Gefrierrohre zylinderförmige Eissäulen, die im Laufe der Vereisungsmaßnahme zu einem dichten Eiskörper zusammenwachsen. Die Kappendicke soll mindestens 1,5–2,5 m betragen. Gefrorener Boden ist ein Vier-Stoff-System (vgl. 7 Abschn. 2.3), bestehend aus Mineralkörnern, Eis, Wasser und Luft, das auch als Eisbeton bezeichnet wird. Die Kontrolle des Eiskörpers kann über Temperaturmesslanzen im Eiskörper selbst (Sollwert min −10 °C) und an der zu erwartenden äußeren Frostgrenze (Sollwert 0 °C) erfolgen. Ein Problem ergibt sich häufig dadurch, dass der Ausbruchquerschnitt innen teilweise zufriert, was die Vortriebsleistung mindert.

718

Kapitel 17 · Tunnelbau

Ein Vortrieb mittels Bodenvereisung ist nicht frei von Verformungen. Beim Gefrieren des Bodens wird ein Großteil des Porenwassers gefroren, was mit einer Volumenvergrößerung des Porenwassers um 9  % verbunden ist. Zusätzlich diffundiert bei frostempfindlichen Böden (7 Abschn. 12.4.1) durch den Unterdruck an der Gefrierfront zusätzlich Porenwasser in die Gefrierzone, wodurch sich an der Grenze vom gefrorenen zum ungefrorenen Boden Eislinsen bilden können. Beide Vorgänge sind von der Überlagerungslast abhängig, wobei sich auch bei

17

Auflasten von 400 kN/m2 noch Frosthebungen einstellen können (Fillibeck et al. 2005). Beim Gefriervorgang können so zunächst Hebungen auftreten, die nach dem Vortriebsdurchgang und dem Abschalten der Vereisungsmaßnahme in Tausetzungen umschlagen. Bei bindigen Böden besteht dabei außerdem die Gefahr des Aufweichens. Zur Kontrolle dieser Vorgänge sind ein entsprechendes Messprogramm und etwaige Gegenmaßnahmen vorzusehen (s. Liebich et al. 2006).

719

Talsperrengeologie 18.1

Ingenieurgeologische Arbeiten – 720

18.1.1 18.1.2 18.1.3

Voruntersuchungen für die Planung – 721 Untersuchungen für die Bauausführung – 721 Mitarbeit bei Bauausführung, Probestau und Betrieb – 721

18.2

Spezielle Problemstellungen – 722

18.2.1 18.2.2 18.2.3 18.2.4 18.2.5 18.2.6 18.2.7 18.2.8

Durchlässigkeit des Untergrundes – 723 Ermittlung der Sickerwasserverluste – 726 Raumstellung der wasserleitenden Elemente – 728 Erosionsgefährdung durch Sickerwasserströmung – 728 Veränderlich feste oder erweichbare Gesteine – 730 Erdbebensicherheit und induzierte Seismizität – 730 Stauhaltung in verkarstungsfähigen Gesteinen – 733 Stabilität der Hänge – 734

18.3

Absperrbauwerke – 735

18.3.1 18.3.2

Staumauern – 735 Dämme – 736

18.4

Untergrundabdichtung – 739

18.4.1 18.4.2 18.4.3

Horizontale Dichtungselemente – 740 Vertikale Dichtungswände – 741 Injektionsschleier – 741

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018 H. Prinz, R. Strauß, Ingenieurgeologie, https://doi.org/10.1007/978-3-662-54710-6_18

18

720

Kapitel 18 · Talsperrengeologie

Stauanlagen sind Bauwerke, mit denen ein außerordentliches Energiepotenzial aufgestaut wird, das tief reichende Veränderungen im hydraulischen und hydrostatischen System des Untergrundes bewirkt. Hinzu kommt, dass die Wasserwege und die Bewegung des Wassers im Gebirge schwer einzuschätzen und sowohl versuchstechnisch als auch durch Modellrechnung schwierig zu erfassen sind. In der Bundesrepublik Deutschland gelten für Stauanlagen die Teile 10–15 der DIN 19 700 (2004): 44Teil 10: Stauanlagen – Gemeinsame Festlegungen 44Teil 11: Talsperren 44Teil 12: Hochwasserrückhaltebecken 44Teil 13: Staustufen (Wehre) 44Teil 14: Pumpspeicherbecken 44Teil 15: Sedimentationsbecken Die Begriffe für Stauanlagen sind in der DIN 4080-1:1997 definiert. Dazu kommen ggf. die Merkblätter eines gemeinsamen Ausschusses von DAW, DGGT und DTK sowie die Merkblätter der BAW (s. Anhang). Stauanlagen werden nach Stauraum, Höhe des Absperrbauwerks und Gefährdungspotenzial in Talsperrenklassen (TSK) eingeteilt: TSK

18

Stauhöhe (m)

Stauraum (m3)

Gefährdungspotenzial

1

Große Anlage

>15

>1.000.000

groß

2

Mittlere Anlage

10–15

300.000– 1.000.000

mittel

3

Kleine Anlage

5–10

100.000– 300.000

mittel bis gering

4

Sehr kleine Anlage

1–5

30.000– 100.000

gering

Stauanlagen dienen verschiedenen Zwecken: Energiegewinnung, Brauch- oder Trinkwassergewinnung, Hochwasserrückhaltung und Naherholung. Bei den Hochwasserrückhaltebecken sind solche mit und ohne Dauerstau zu unterscheiden, wobei bei Letzteren nur mit einem

kurzzeitigen Einstau (1–7 Tage) in größeren Zeitabständen zu rechnen ist. Wasserverluste sind so lange unerheblich, wie der Rückhalteeffekt sowie die Erosions- und Standsicherheit des Absperrbauwerks und der Talflanken gewährleistet sind. Zu den ingenieurgeologisch relevanten Hauptdaten einer Talsperre gehören: 44Einzugs- und Niederschlagsgebiet, das gegebenenfalls durch Beileitungen vergrößert werden kann (in ha oder km2), 44Gesamtstauraum bzw. nutzbarer Stauraum (in hm3), 44Wasserfläche (in ha oder km2), 44Schwebstoff- bzw. Geschiebefracht, 44größte Länge und größte Breite des Stauraums, 44Damm- bzw. Mauerhöhe, Querschnittsgestaltung, 44Kronenlänge, Kronenbreite, 44Böschungsneigungen (bei Dämmen), 44Dichtungskonzept, 44Standsicherheit der Stauraumhänge. Als Kostenvergleich dient i. d. R. das Verhältnis Gesamtkosten/nutzbarer Staurauminhalt oder der sog. Speicherkennwert, d. i. das Verhältnis Staurauminhalt/Kubatur des Absperrbauwerks. 18.1 Ingenieurgeologische

Arbeiten

Stauanlagen sind individuelle Bauwerke mit jeweils eigenen typischen Merkmalen, die nach Art und Umfang angepasste Untersuchungen der hydrogeologischen und ingenieurgeologischen Situation erfordern. Die Untersuchungsarbeiten für ein Talsperrenprojekt werden i. d. R. aufgeteilt in 44Voruntersuchungen für die Planung (Standortplanung, Vorplanung und Planung für wasserrechtliche Verfahren) 44Untersuchungen für die Ausführungsplanung 44Mitarbeit bei der Bauausführung einschließlich Probestau 44Kontrolle während des Staubetriebs und bei Unterhaltungsarbeiten.

721 18.1 · Ingenieurgeologische Arbeiten

18.1.1

Voruntersuchungen für die Planung

Im Rahmen der Voruntersuchung sind anhand vorhandener Unterlagen oder bereits mithilfe von ersten Aufschlussarbeiten die geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse nicht nur im Bereich der Sperrenstelle und des Stauraums, sondern auch im Hinblick auf tiefer liegende Nebentäler zu erkunden. Dazu gehören: 44Schichtenfolge und Gesteinsausbildung, insbes. erosionsgefährdete oder lösliche Gesteine, 44Verwitterungserscheinungen und Tiefe der Gebirgsauflockerung, 44Gebirgsbau (Tektonik) und Trennflächengefüge, 44Grundwasserverhältnisse, insbes. Wasseraustritte oder Schluckstellen, 44Rutschungen, Karsterscheinungen, Altbergbau. Eingehende morphologische Studien, geophysikalische Oberflächenmessungen und eine Luftbildauswertung können wertvolle Hinweise auf Störungs- und Zerrüttungszonen sowie auf Rutschungen und ggf. auf verdeckte Karstformen geben. Auch der Primärspannungszustand (7 Abschn. 2.6.9 und 4.2.4) und die Erdbebensituation (7 Abschn. 18.2.7) sind im Rahmen der Voruntersuchungen anzusprechen und nötigenfalls Sonderuntersuchungen zu veranlassen. Falls keine entsprechenden geologischen Karten zur Verfügung stehen, wird i. d. R. eine geologische Spezialkartierung durchgeführt, und zwar für den Stauraum und seine Flanken im Maßstab 1: 10.000 bis 1: 5000, für den Bereich der Sperrenstelle im Maßstab 1: 5000 bis 1: 500. Die Ergebnisse der Voruntersuchung sollen eine generelle Klärung der baugeologischen Verhältnisse bringen, nach denen zu entscheiden ist, ob das geplante Bauwerk unter Beachtung der technischen und wirtschaftlichen Möglichkeiten durchführbar ist, bejahendenfalls Kriterien für die Wahl des günstigsten Standortes und eine Konzeption für das Absperrbauwerk. Dazu gehören Angaben über

18

44die Durchlässigkeit des Untergrundes

an der Sperrenstelle (Unter- und Umläufigkeit) und im Stauraum, 44Abdichtungsmöglichkeiten, 44Tragfähigkeit und Setzungsverhalten des Untergrundes an der Sperrenstelle, 44Standfestigkeit der Flanken des Stauraums (Rutschungen), 44Dammbaustoffe und Dichtungsmaterial bzw. Betonzuschlagstoffe. Weiterhin ist aufzuzeigen, welche geologischen Faktoren bzw. Boden- und Felseigenschaften entscheidende Bedeutung für das geplante Bauwerk haben. Außerdem sind Vorschläge über Art und Umfang der weiteren Untersuchungsarbeiten zu unterbreiten. 18.1.2

Untersuchungen für die Bauausführung

Im Rahmen der Hauptuntersuchungsphase werden die bereits bei den Voruntersuchungen erkannten ingenieurgeologisch-geotechnischen Probleme weiterverfolgt. Als wichtigste Eigenschaften seien hier nur die Durchlässigkeit, die Verformbarkeit und die Scherfestigkeit des Gebirges sowie nötigenfalls die Ermittlung des Primärspannungszustands genannt. 18.1.3

Mitarbeit bei Bauausfüh­ rung, Probestau und Betrieb

Während der Bauausführung sind Baugruben und Fundamentsohlen abzunehmen sowie sämtliche neuen Aufschlüsse ingenieurgeologisch aufzunehmen und zeichnerisch und/ (oder) fotografisch festzuhalten, wobei im Fels besonderer Wert auf eine detaillierte Aufnahme des Trennflächengefüges gelegt werden muss. Die Kontrollen der Grundwassermessstellen und Quellschüttungen sind fortzuführen. Die Arbeiten zur Abdichtung und Vergütung des Untergrundes und für Dränmaßnahmen sind in Zusammenarbeit mit dem Boden- bzw.

722

Kapitel 18 · Talsperrengeologie

Felsmechaniker zu überwachen und die nötigen Ergänzungen festzulegen. In Zusammenarbeit mit dem Boden- und Felsmechaniker kann der Ingenieurgeologe nicht nur bei der Baukontrolle (Verdichtungsprüfung, Setzungs- und Verformungsmessungen, Porenwasserdruckmessungen) mitwirken, sondern auch bei den unerlässlichen Kontrollmessungen während des Betriebs einer Stauanlage. Dazu gehören außer den unverzichtbaren visuellen Kontrollen aller Anlagenbereiche vor allen Dingen: 44Wasserstände (Zufluss, Seewasserspiegel, Abfluss), Grundwassermessstellen, Quellschüttungen, Niederschlag und Temperatur, 44Sickerwassermengen im Dränsystem mit Feststellung von Trübungen, 44Wasserdruckverlauf im Absperrbauwerk und im Untergrund, 44Verformungsmessungen im Damm, im Dammuntergrund und nötigenfalls an den Flanken des Stauraums, 44seismische Überwachung.

18

Der erste planmäßige Aufstau einer Talsperre gilt als Probestau. Dieser ist gem. DIN 19 700 stufenweise mit Aufstau- und Beharrungsphasen vorzunehmen. Vor Beginn eines Probestaus ist eine Überprüfung aller Mess- und Kontrolleinrichtungen vorzunehmen (Nullmessung). Die Kontroll- und Messeinrichtungen sind danach in vorgegebenen Zeitabständen zu beobachten, sodass jederzeit ein Überblick über den Belastungszustand des Gesamtbauwerks und des Gebirges, besonders auch über die Grundwasser- und Strömungsverhältnisse, gegeben ist. Dem Ingenieurgeologen obliegen dabei besonders die Überwachung der Grundwasser- und Strömungsverhältnisse im Gebirge sowie die Beobachtung der Flanken des Stausees auf sich abzeichnende Rutschungen und auf Quellaustritte in Nebentälern. Als Abschluss des Probestaus und dann jeweils nach 3–5 Betriebsjahren werden Stauanlagen bis auf den Totraum abgelassen. Hierbei wird, wenn Schlucklöcher u. Ä. zu erwarten sind, der mit Schlammablagerungen bedeckte Seeboden nach solchen abgesucht. Schlucklöcher

sind am besten bei noch geringer Wasserüberdeckung von 0,5–1 m zu erkennen, da sie dann unter dem Wasserdruck noch offen stehen, während der weiche Schlamm nach dem Trockenfallen zusammensackt. Stauanlagen unterliegen nach DIN 19 700 einer Sicherheitsüberwachung. Diese erfolgt als 44Eigenüberwachung durch den Betreiber, 44Fremdüberwachung nach den Vorgaben des WHG und der DIN 19 700 durch die Aufsichtsbehörde oder deren Beauftragte. 18.2

Spezielle Problemstellungen

Die üblichen ingenieurgeologischen Untersuchungsmethoden, einschließlich Luftbildgeologie und Geophysik, sind in 7 Kap. 4 ausführlich behandelt. Bei der Ausschreibung und beim Ansetzen von Aufschlussarbeiten ist darauf zu achten, dass abdichtende Deckschichten oder dichtende Schichten im tieferen Untergrund nicht dauerhaft beschädigt werden. Die Beseitigung dieser Schäden muss in der Ausschreibung aufgenommen und deren Ausführung überwacht werden. Bohrlöcher sind durch Quellton und Zement-Bentonit-Pfropfen zu verschließen und nötigenfalls zusätzlich zu injizieren. Die Anzahl und die Tiefe von Bohraufschlüssen richten sich nach der geologischen Situation, der Tragfähigkeit und Durchlässigkeit des Untergrundes sowie der Art und Höhe des Absperrbauwerks. Die Abstände der Bohrpunkte sollen nach DIN 4020 (2010) zwischen 25 und 75 m betragen. Für kleinere Objekte wird i. d. R. 6–10 m tief in den festen Fels gebohrt. Bei größeren Projekten gilt als Faustregel, so tief zu bohren, wie die Stauhöhe ist, und einige Bohrungen bis in größere Tiefen abzuteufen (doppelte Stauhöhe oder bis in den tieferen Untergrund). Im Gründungsbereich des Absperrbauwerks empfiehlt es sich, zunächst ein mehr oder weniger regelmäßiges Querprofil abzubohren, das nach Bedarf durch zwischengesetzte Bohrungen ergänzt wird. An den Talrändern bzw. zur Erfassung steil stehender Trennflächen oder tektonischer Strukturen werden Schrägbohrungen mit Neigungen von 70°, 60° oder 45° ausgeführt.

723 18.2 · Spezielle Problemstellungen

Im Bereich des Absperrbauwerks werden die Bohraufschlüsse bei Bedarf durch Schürfe oder Schurfschlitze bis in Felsuntergrund ergänzt, die einen besseren Einblick in die Gebirgsbeschaffenheit der Gründungssohle erlauben. Bei größeren Sperrbauwerken, besonders Staumauern, kann auch ein rechtzeitig vorab ausgeführter Aushub der Baugrube bis 1 m über Gründungsniveau in Betracht gezogen werden, der einen lückenlosen Untergrundaufschluss bietet. Bei den Aushubarbeiten darf nicht gesprengt werden. Bei größeren Talsperren und/(oder) schwierigen geologischen Verhältnissen werden fast immer Erkundungsstollen vorgesehen. Sie sollten nach Möglichkeit so geplant werden, dass sie später als Verpress- oder Dränstollen verwendet werden können. Erkundungsstollen können für felsmechanische Messungen (Spannungsmessungen, Verformungsmessungen) und andere felsmechanische Feldversuche genutzt werden. Besonderer Wert ist auf die Erfassung der Grundwasserverhältnisse zu legen. Im Rahmen der Bohrarbeiten sind ausreichend Grundwassermessstellen einzurichten (7 Abschn. 4.6). Mit der Messung der Grundwasserstände sollte mindestens 2 Jahre vor Beginn der Bauarbeiten begonnen werden. Sie dienen nicht nur als Grundlage für die bautechnischen Maßnahmen, sondern vor allen Dingen auch zur Beurteilung der zu erwartenden Änderungen der Grundwasser- und Strömungsverhältnisse beim Einstau und für die spätere Kontrolle. Die Grundwassermessstellen sind so anzuordnen, dass Grundwassergleichenkarten für die Zeit vor, während und nach dem Einstau erstellt werden können, und zwar für die gesamte betroffene Umgebung, einschließlich etwaiger Nebentäler. An Quellaustritten im Stauraum und in der näheren Umgebung, besonders in tief liegenden Nebentälern, sind Schüttungsmessungen vorzunehmen, um später beim Einstau Vergleichswerte zur Beurteilung des Einflusses auf den Wasserhaushalt der näheren Umgebung zur Verfügung zu haben. An möglicherweise betroffenen baulichen Anlagen sind Beweissicherungsverfahren zu veranlassen, um späteren Schadensersatzansprüchen gerecht werden zu können.

18

Zu den besonderen Problemstellungen im Talsperrenbau, die den Ingenieurgeologen

betreffen bzw. in enger Zusammenarbeit mit ihm zu bearbeiten sind, gehören: 44Durchlässigkeit des Untergrundes, 44Sickerwasserverluste, 44Raumstellung der wasserleitenden Elemente, 44erosionsgefährdetes Gebirge, 44veränderlich feste Gesteine, 44Stabilität der Flanken des Stauraums, 44verdeckte Talformen, 44tieferes Vorflutniveau von Nebentälern, 44großflächiges Anheben der Grundwasseroberfläche, 44wasserlösliche Gesteine, Karsthohlräume, Altbergbau, 44Erdbeben, besonders auch induzierte Seismizität. 18.2.1

Durchlässigkeit des Untergrundes

Die Durchlässigkeit des Untergrundes ist meist das entscheidende Kriterium für Dauerstauanlagen. Eine Durchströmung des Untergrundes bedeutet: 44Wasserverluste, 44Erosions- und Lösungsgefahr, 44Auftrieb bzw. Sohlwasserdruck. Dabei weist jeder dieser Gefahrenmomente eine etwas andere Abhängigkeit hinsichtlich der Gebirgsdurchlässigkeit auf. Für die Ermittlung der Sickerwasserverluste wird ein gemittelter Beiwert der Gesamtdurchlässigkeit verwendet. Für die Abschätzung der Erosionsgefahr und der Sohlwasserdrücke ist dagegen maßgebend, ob die Sickerwasserbewegung auf vielen feinen Klüften stattfindet, auf denen gleichzeitig hohe Fließwiderstände herrschen, die einen großen Druckabbau bewirken, oder auf einzelnen, gut wasserwegsamen Kluftsystemen. Die Versuche zur Ermittlung der Durchlässigkeit des Gebirges und ihre Auswertung sind in 7 Abschn. 2.9.4 behandelt. Im

724

Kapitel 18 · Talsperrengeologie

Talsperrenbau werden seit den1960er-Jahren bevorzugt Wasserdruckversuche (WDTest) eingesetzt (7 Abschn. 2.9.4.4). Sie liefern zunächst keine k-Werte, sondern Mengenwerte. Die Wasseraufnahme (W) ist definiert als der Durchfluss (in m 3/s), bezogen auf die Länge der Abpressstrecke (in m) und dem Einpressdruck (in bar), und wird in l/(min × m), bezogen auf einen bestimmten Druck (bar) angegeben. Die Darstellung der Ergebnisse von WD-Tests erfolgt in Säulenform für den verpressten Bohrlochabschnitt unter Angabe des Abpressdrucks (.  Abb. 18.1) und zwar in l/(min  ×  m) bei … bar. Darüber hinaus sind verschiedene Mittelwertbildungen zur Beurteilung von Teilbereichen des Untergrundes auf geologisch-morphologischer Grundlage oder nach Tiefenstufen üblich. Die statistische Auswertung nach Tiefenstufen bei einheitlichem Druck (. Abb. 18.2) ermöglicht eine Aussage über die erforderliche Tiefe der Dichtungsmaßnahmen. Heitfeld (1965) hat anhand detaillierter Auswertungen von WD-Tests erkannt, dass die Wasseraufnahmen nicht proportional dem

18 . Abb. 18.1  Darstellung der Ergebnisse von WDTests in l/min × m (bei 2 oder 4 bar) im Rheinischen Schiefergebirge (Tonschiefer und Grauwackenbänke): U = Umläufigkeit (aus Heitfeld 1979)

10

2,1 8,7 10,0

L/min · m U

4,5 8,1 V

1,2 /5,2 0/0

25,1 32,7 40,5

1,5 /2,2 0 /0,9 0,5 /1,2 0 /1,1

. Abb. 18.2  Abhängigkeit der Wasseraufnahme von der Tiefe bei verschiedenen Talsperren (aus Heitfeld 1979)

Abpressdruck sind und dass die Aufnahmemengen bei absteigendem Druck häufig nicht denen bei ansteigendem Druck entsprechen. Diese nichtlineare Abhängigkeit der Aufnahmemenge vom Druck wird in den meisten Fällen auf ein Aufreißen des Gebirges infolge von Crack-Vorgängen zurückgeführt, die bei bestimmten lithologisch-tektonischen Voraussetzungen schon bei Drücken von 2–5 bar einsetzen können, oder aber auf Erosionsvorgänge von Kluftfüllungen im Gebirge (7 Abschn. 2.9.4.4 und 18.2.4). Diese Vorgänge sind im Detail sehr stark vom Trennflächengefüge und vom Versuchsverlauf abhängig, müssen aber bei der Festlegung der Abdichtungskriterien beachtet werden. Die Erscheinung des Aufreißens von Trennflächen im Gebirge hängt eng mit der Frage der Maximaldrücke beim WD-Test zusammen. Diese werden an der geplanten Stauhöhe orientiert und häufig auf den 1,3- bis 1,5-fachen Wasserdruck begrenzt. Bei niedrigen Dämmen kommt es dabei nur in empfindlichen Gebirgstypen zu Aufreißvorgängen. Bei höheren Dämmen und Staumauern befindet man sich dabei jedoch schon in Druckbereichen, in denen auch Gebirgstypen mit mittleren Festigkeitseigenschaften aufreißen (7 Abschn. 18.4.3). Ewert (1979: 196) schlägt als kurzzeitigen Versuchsdruck mindestens den 1,5-fachen Staudruck vor und empfiehlt darüber hinaus, die kurzzeitigen Versuchsdrücke möglichst hoch

725 18.2 · Spezielle Problemstellungen

zu fahren und den Verlauf von Aufreißvorgängen möglichst genau zu erfassen, da diese eine Aussage hinsichtlich des Festigkeits- und Verformungsverhaltens des Gebirges ermöglichen. Die Angabe einer druckabhängigen Verpressmenge wird i. d. R. direkt für die Abschätzung der Notwendigkeit und des Umfangs von Abdichtungsmaßnahmen verwendet. Verschiedene Autoren haben schon versucht, danach Grenzwerte zu definieren. Grundlage ist dabei meist das Lugeon-Kriterium. 1 Lugeon (LU) entspricht dabei einer Wasseraufnahme von 1 l/min in 1 m Messstrecke bei 10 bar: 1 Lugeon = 1 l (min×m) bei 10 bar



Das Lugeon-Kriterium wird auch heute noch für größere Talsperren angewendet. Bei mittleren und kleineren Talsperren beträgt jedoch der Wasserdruck keine 10 bar. Eine Umrechnung auf einen niedrigeren Bezugsdruck ist nur

bei linearem Verlauf der WD-Tests und auch dann nur mit Einschränkungen möglich. In . Tab. 18.1 sind die Abdichtungskriterien verschiedener Autoren mit einer Umrechnung auf einen einheitlichen Bezugsdruck von 3 bar zusammengestellt. Mit diesen Absolutwerten sollte jedoch nicht kritiklos gearbeitet werden. Abgesehen davon, dass die Werte der verschiedenen Autoren stark voneinander abweichen, wird überhaupt nur von einigen hinsichtlich der Stauhöhe unterschieden. Heitfeld (1965) hat diese Kriterien dann allgemein auf die Stauhöhe bezogen und auch erstmals die geologischen Verhältnisse (stark lösliche Gesteine) berücksichtigt (. Abb. 18.3). Houlsby (1976) stellt bei seinen Kriterien die Belange der Wasserwirtschaft (Wasserverluste), die Erosionsgefahr sowie den Bauwerkstyp und die Breite des Dichtungsschleiers in den Vordergrund. Weitere Studien für projektspezifische Abdichtungskriterien nach wasserwirtschaftlichen und gebirgsbedingten Faktoren bringt Ewert (1979 und 1985).

. Tab. 18.1  Abdichtungskriterien verschiedener Autoren auf Grundlage von WD-Versuchen (H = Stauhöhe) (aus Ewert 1979) Verfasser

18

Angabe des Verfassers

Umrechnung

WD-Wert [l/(min × m)]

Druck [bar]

WD-Wert [(l/min × m)]

Druck [bar]

a. H = 30 m

1

10

0,3

3

b. H = 30 m

3

10

09

3

a. Einpressbohrung

0,1

3

0,1

3

b. Kontrollbohrung

0,5–1,0

3

0,5–1,0

3

Terzaghi (1929)

0,05

0,1

1,5

3

Keil

0,2

3

0,2

3

Blatter

0,33

10

0,1

3

USA

3–4

10

0,9–1,2

3

c. H = 10 m

0,05

0,1

1,5

3

d. H = 30 m

0,03

0,1

0,3

3

Lugeon (1933)

Jähde (1963)

ehem. UdSSR

726

Kapitel 18 · Talsperrengeologie

. Abb. 18.3  Zulässige Grenzwerte bei der Wasserdruckprüfung (aus Heitfeld 1979)

Bei der Festlegung der Grenzwerte für die WD-Ergebnisse sind folgende Faktoren zu beachten: 44Projektbedingungen (Stauhöhe, Wasserverluste), 44Standsicherheit des Absperrbauwerks (einschließlich Sohlwasserdruck und Erosion), 44geologische Verhältnisse, 44Injizierbarkeit des Gebirges, 44mögliche Auswirkungen auf Dritte, etwa durch weitflächige Anhebung der Grundwasseroberfläche, auch in Nebentälern (.  Abb. 18.4). Auf den Ergebnissen der WD-Tests aufbauend werden häufig Probeinjektionen vorgenommen, deren Durchführung im 7 Abschn. 18.4.3 behandelt ist. 18.2.2

18

Ermittlung der Sickerwasserverluste

Als Folge der natürlichen Durchlässigkeit des Untergrundes und der Ränder eines Stauraums sind Sickerwasserverluste nicht vermeidbar, können aber durch Abdichtungsmaßnahmen gem. 7 Abschn. 18.4 begrenzt werden. Die Sickerwasserverluste im Stauraum infolge von

Unterläufigkeit und Umläufigkeit sind von folgenden Faktoren abhängig: 44überstaute Fläche, 44Stauhöhe, 44Grundwasserstand im Staubereich, 44Mächtigkeit der abdichtenden Schichten, 44Durchlässigkeit des Untergrundes, ausgedrückt durch den Durchlässigkeitsbeiwert k. Untersuchungen für Talsperrenbauten in den verschiedensten Gebirgstypen haben gezeigt, dass in einer oberflächennahen Auflockerungszone das wirksame Kluftvolumen und damit die Wasserzirkulation durch zusätzliche und aufgeweitete Trennflächen wesentlich größer ist als im tieferen Untergrund. Ihre Intensität und Tiefenwirkung hängen ab von der Entwicklungsgeschichte des Landschaftsreliefs, der Exposition (Tal, Hang, Hochfläche), der tektonischen Beanspruchung und den Lagerungsverhältnissen sowie der Gesteinsausbildung und Verwitterung. Die Wasserverluste aus den Becken hängen zunächst davon ab, ob bei tief liegendem Grundwasserstand eine Vertikalversickerung stattfinden und sich der Speicherraum zwischen Grundwasseroberfläche und dem Stauniveau auffüllen kann oder ob mit einem ständigen Abfluss zu rechnen ist. Durch die Aufhöhung

727 18.2 · Spezielle Problemstellungen

18

. Abb. 18.4  Wasserverluste aus dem Stauraum und Quellaustritte in benachbarten, tiefer gelegenen Tälern (nach Goodman 1993)

des Grundwasserstands treten außerdem Fließvorgänge nach den Seiten, zum Unterwasser und in etwaige tiefer gelegene Nachbartäler auf (. Abb. 18.4). Grundsätzlich ist dabei zu prüfen, ob großflächige Versickerungen vorliegen, die mit einem mittleren Durchlässigkeitsbeiwert erfasst werden können, oder ob die Versickerung auf einigen wenigen Wasserwegen stattfindet, die gezielt gedichtet werden können. Langfristig kann bei Ersterem auch eine gewisse Selbstdichtung des Beckens, vor allen Dingen des Stauraumbodens, angenommen werden. Die Abschätzung der Sickerwasserverluste beruht auf der schon von Darcy 1856 abgeleiteten Beziehung zwischen dem hydraulischen Gradienten und der Sickerwassermenge (7  Abschn. 2.9.1). Großflächige Sickerwasserverluste können überschlägig wie folgt berechnet werden:

Q=

k×F ×D d

Dabei gilt: k = Durchlässigkeitsbeiwert, Q = Sickerwassermenge (m3/s), F = Staufläche (m2), d = Dicke der abdichtend wirksamen Schicht (m), D = mittlere Stauhöhe + d (m), entspricht dem hydraulischen Gradienten i. Die auf dieser Basis ermittelten Versickerungsverluste sind jedoch nur grobe Anhaltswerte, die mit den später gemessenen Versickerungsraten häufig keine Übereinstimmung zeigen. Sie bilden jedoch zusammen mit der Frage des Druckabbaus und des Erosionsverhaltens die Entscheidungsgrundlage für die nötigen Dichtungsmaßnahmen an einer Stauanlage. Linortner et al. (2009) nennen z. B. als Maß für die maximal akzeptable Sickerwassermenge 1 % der mittleren Zuflussmenge.

728

Kapitel 18 · Talsperrengeologie

. Abb. 18.5  Abhängigkeit der Unterströmung von Stauanlagen von der geologischen Situation (aus Zaruba und Mencl 1961)

18.2.3

18

Raumstellung der wasserleitenden Elemente

Die Raumstellung wasserleitender oder wassersperrender Elemente zum erwarteten Sickerwassergefälle hat ganz entscheidenden Einfluss auf die Sickerwasserverluste und auch auf die Standsicherheit des Absperrbauwerks. Dazu gehören: 44tektonische Störungs- und Zerrüttungszonen, besonders auch Zonen mit tektonischer Gebirgsauflockerung (7 Abschn. 3.5.1 und 17.2.3). 44Hangzerreißungsklüfte, die zwar fast immer tektonisch vorgegebenen Trennflächen folgen, in ihrer Öffnungsweite aber sehr vom Gestein und der Hangneigung abhängig sind. 44Wechselschichtung von stärker durchlässigen Gesteinen (Sandstein, Kalkstein) und mergelig-tonigen Schichten. Die tonigen Schichten wirken normal zur Schichtung wassersperrend, und selbst Klüfte weisen eine erheblich geringere Wasserwegsamkeit auf als in spröden Gesteinsarten. Schichtparallel bieten dagegen eine solche Wechselfolge oder auch einzelne Schichtpakete gute Sickerwege (. Abb. 18.5 und 7  Abschn. 2.9.5).

Bei den Überlegungen bezüglich wasserleitender Elemente ist besonders in paläogeographischen Schwellen- oder Rinnenbereichen, aber auch in weiten Schwemmebenen an einen engräumigen Fazieswechsel in horizontaler Richtung zu denken. Als vertikale durchlässige Einlagerungen kommen z. B. auch Basalt- oder Quarzgänge in Betracht. 18.2.4

Erosionsgefährdung durch Sickerwasserströmung

Erosionsvorgänge im Untergrund sind ein maßgebendes Kriterium bei der Frage, welche Durchlässigkeiten bei einer Talsperre noch verträglich sind. Beim Abschätzen des Erosionsverhaltens des Gebirges ist grundsätzlich zu unterscheiden zwischen gebirgsbedingten Faktoren wie 44Erosions- bzw. Suffosionsvorgängen in Lockergesteinen, 44Erosions- bzw. Suffosionsvorgängen an Schichtgrenzen bzw. Bauwerksfugen (Fugenerosion), 44Erosion von Kluftfüllungen und Störungsmyloniten sowie 44Erosion an Trennflächen gering verfestigter Gesteine

729 18.2 · Spezielle Problemstellungen

und den hydraulischen Faktoren wie 44dem hydraulischen Gefälle und 44der wahren Fließgeschwindigkeit (7  Abschn. 2.8.6) des sich in den Poren bzw. in den Fugen und Klüften bewegenden Wassers. Die Grundlagen für Suffosions- und Erosionsvorgänge in Lockergesteinen, die auch als hydrodynamische Instabilität bezeichnet werden, sind in 7 Abschn. 2.2.6 ausführlich behandelt. Die Suffosions- und Erosionsanfälligkeit der Lockergesteine ist abhängig von der Korngröße, der Korngrößenverteilung (Ungleichkörnigkeit, Ausfallkörnung, Wechselschichtung), der Lagerungsdichte bzw. der Plastizität und Kohäsion sowie der Größe der Porenkanäle. Erdstoffe mit einer Körnung von d10 10 m aufweisen. Magar (1993) berichtet von rezenten Senkungen (1990 bis 1993 = 24–60 mm) an einem Gebäudekomplex im Niveau des Unteren Keupers infolge von Gipsauslaugung im Mittleren Muschelkalk (. Abb. 19.12). Ein derartiges Durchschlagen von Karsthohlräumen im Mittleren Muschelkalk bis in den oberen Teil des Oberen Muschelkalks bzw. in den Unteren Keuper ist relativ selten und i. d. R. an tektonische Zerrüttungs- oder Störungszonen gebunden. Im unteren Teil des Mittleren Keupers, dem in Württemberg 90–110 m mächtigen Gipskeuper, treten verbreitet Anhydrit und Gipslagen auf, die im sog. Grundgips eine Mächtigkeit von 10–25 m erreichen. Wo der Gipskeuper an der Keuperrandstufe in Württemberg und in Nordwestbayern flächenhaft ausstreicht oder als Erosionsrest dem Lettenkeuper aufliegt, ist der Grundgips meist völlig weggelöst. Letzteres gilt auch für breite Täler, z. B. für das Neckartal bei Stuttgart und den Stuttgarter Talkessel sowie auch für große Flächen im fränkischen Keupergebiet (z. B. Schweinfurter Mulde mit dem Werntal). An den Talrändern im Bereich des Gipshanges ( . Abb. 19.13 ) treten zahlreiche Hohlräume auf, die immer wieder zu Erdfällen führen. Die Anfangsdurchmesser betragen meist 1–3 m, selten mehr. Tiefer im Berg, wo weniger grundwasserführende Klüfte vorliegen als im Hangbereich, sind die Sulfatgesteine wesentlich weniger oder nicht verkarstet (Bruder 1977; Krause 1988). Im Talgrund sind oft mächtige Residualbildungen und z. T. auch größere Torfmächtigkeiten verbreitet.

19

. Abb. 19.12  Durchpausen der Auslaugungserscheinungen durch >100 m Deckgebirge bis in das Niveau des Unteren Keupers (s. a. . Abb. 19.20)

Der Reisenberg bei Crailsheim zählt mit seinen zahlreichen rezenten und z. T. wassererfüllten oder bereits vermoorten Erdfallformen zu den eindrucksvollsten Karstlandschaften Süddeutschlands. Im benachbarten Stadtteil Rossfeld von Crailsheim brach 1998 ein Mädchen in einen 2 m tiefen Erdfall ein (Rathgeber 2007, darin Lit.). Beim Bau des Katharinenhospitals in Stuttgart wurde eine ausgeprägte Verkarstung angetroffen. Nahezu 70 % der etwa 200 zur Baugrundverbesserung niedergebrachten

764

Kapitel 19 · Bauen in Erdfall- und Senkungsgebieten

. Abb. 19.13  Schematische Darstellung der Gipskorrosion und der Bebaubarkeit eines Gipskeuperhanges (aus Schälicke 1972)

19

Verpressbohrungen trafen Hohlräume im Grundgips an (Wagenplast 2005). Schweikhardt (2007) berichtet über ein Erdfallgebiet in Stuttgart-Bad Cannstatt, in dem im Jahr 2000 ein Erdfall gefallen ist. Eine benachbarte Kernbohrung ergab in 35–40 m Tiefe einen Hohlraum mit einem kuppelförmigen Volumen von etwa 6000 m3 und einer freien Höhe von 7 m (s. dazu . Abb. 19.18). Auch vom Thüringer Becken beschreibt Wunderlich (2004) zahlreiche Erdfälle und z. T. großflächige Senkungsmulden über verkarstetem Gipskeuper. Aus den Bayerisch-Tiroler Kalkalpen sind besonders die vom Hauptdolomit überlagerten Raibler Schichten (Trias, Karn bzw. Keuper) für Gipskarstproblematik bekannt. Heißel und Nittel (2013) beschreiben einen Erdfall in Reutte/Tirol mit 8 m Durchmesser und 7 m Tiefe, der über mehrere Stunden mit lauten Geräuschen gebrochen ist. Die einbrechenden Erdmassen verdrängten das mehrere Meter tiefer stehende Grundwasser nach oben in den Erdfall, das dann nach Stunden wieder versickerte. Im Oberjura Norddeutschlands treten in den sog. Münder Mergeln unterschiedlich

mächtige Sulfat- und Steinsalzeinschaltungen auf, die im niedersächsischen Bergland und am Nordrand des Wiehengebirges zu einem gelegentlich gehäuften Auftreten von Erdfällen führen. Die Erdfälle sind oft reihenförmig im Ausstrich der Münder Mergel angeordnet (Büchner 1986: 113). Im Jahr 1969 ist bei Osnabrück ein solcher Erdfall mit einem Anfangsdurchmesser von rd. 50 m und einer Tiefe von 9 m eingebrochen (Dechend und Merkt 1970). Auch im Gebiet des Teutoburger Waldes, des Weserberglands und am NW-Rand des Ibbenbürener Horstes in Ostwestfalen sind Erdfälle über Chlorid- und Sulfatkarst der Münder Mergel verbreitet. Lotze (1957) beschreibt zahlreiche Erdfälle in der Senkungszone des Heiligen Meeres, wo mehr als 60 Erdfälle, teilweise als Seen mit Moorbildung zu verzeichnen sind, darunter auch der größte Erdfall, der im vergangenen Jahrhundert in Mitteleuropa aufgetreten ist. Er entstand im Jahre 1913 mit einem Anfangsdurchmesser von 100 m. Während Lotze diese Erdfälle auf Salzauslaugung in Zechsteinschichten zurückführt, werden sie zwischenzeitlich aufgrund von Bohrergebnissen dem Sulfat- und Salinarkarst des Münder Mergel zugeordnet (Thiermann 1975: 517).

765 19.2 · Ursachen von Senkungen und Erdfällen…

19.2.3

Chloridkarst

19.2.3.1

Löslichkeit der Chloride

Die Löslichkeit der in der Natur vorkommenden Halogenide, vor allem von Natriumchlorid (Steinsalz, Halit) und untergeordnet Kaliumchlorid (Sylvin), ist weit höher als die der Sulfate und Karbonate (. Tab. 19.2). Sie ist ebenfalls temperaturabhängig und beträgt im Grundwasser (10 °C) bei NaCl bis zu 358 g/l (Reuter und Tolmacev 1991). Im bewegten Grundwasser liegt meist nur eine Teilsättigung von etwa 100 g/l vor. 19.2.3.2

Erscheinungsformen des tiefen Chloridkarstes

Die Salze werden wegen ihrer guten Löslichkeit immer als Erstes gelöst und sind unter geringer Überdeckung meistens bereits vollkommen verschwunden. Aber auch unter mehreren 100 m Deckgebirge haben sie vom Ausstrich her oder durch tektonische Bruchbildung Verbindung mit dem Grundwasser erhalten und unterliegen seit geologischen Zeiträumen der Auslaugung bzw. Subrosion. Vom Werra-Kaligebiet (Grube Merkers) werden tektonische Störungen beschrieben, die das Salzlager durchschlagen und Auslaugung vom Liegenden her bewirkt haben (Schilder und Schwandt 1983). Eine umfassende Modellvorstellung über die Dynamik des Chloridkarstes bringen Kniesel (1980) und Ellenberg (1982). Von einigen Salzverbreitungsgebieten (auch Salzstöcken) sind natürliche Solquellen bekannt, die Anzeichen für die anhaltenden

19

Lösungsprozesse in der Tiefe sind. Durch Schüttungsmessungen und Analyse der Salzgehalte lässt sich die abgeführte Salzfracht ermitteln. Sie beträgt oft viele tausend Tonnen pro Jahr. Trotzdem verläuft die Steinsalzsubrosion in der Natur i. d. R. sehr verhalten, da sich im Niveau des Salzlagers eine Zone weitestgehend gesättigten Salzwassers höherer Dichte einstellt. Erst bei Änderung der hydraulischen Situation und Zustrom frischen Grundwassers, sei es durch Solbetrieb oder bergbaubedingte Wasserhaltung, wird die Subrosion beschleunigt, mit entsprechenden Folgen an der Erdoberfläche. Seit Weber (1930, 1967) wird die vom Tagesausstrich fortschreitende Subrosion als „reguläre Salzauslaugung“ bezeichnet. Hierbei kommt es zur Ausbildung eines sog. Salzhanges, d. i. der Übergang von der unversehrten Salzfolge zum mehr oder weniger salzfreien Gebiet. Die „irreguläre Salzauslaugung“ erfasst dagegen die Lagerstätte innerhalb des geschlossenen Salzgebietes durch Eindringen von Wasser an Störungszonen. Die Auswirkungen an der Erdoberfläche sind bei der irregulären Salzauslaugung i. d. R. ausgeprägte trichter- und kesselförmige Senken (Subrosionssenken), die von mehr oder weniger steilen lokalen Salzhängen umgeben sind, während die Formen vor dem regulären Salzhangbereich meist flache Senkungsmulden sind, die in der Landschaft wenig auffallen. Die reguläre Salzauslaugung und die weitergehende Zonengliederung von Weber (1967) ist modellhaft am Tagesausstrich der Zechsteinfolge

. Tab. 19.2  Vergleich der Löslichkeit und anderer Eigenschaften löslicher gesteinsbildender Minerale (nach Mucke 2009) Mineral

Calcit

Anhydrit

Gips

Steinsalz

Chemische Formel

CaCO3

CaSO4

CaSO4 × 2 H2O

NaCl

Löslichkeit im Wasser (g/l)

0,2

3

2,3

358

Vielfaches bez. auf CaCO3

1

15

10

1790

Dichte (t/m3)

2,7

>2,8

2,3

2,2

766

Kapitel 19 · Bauen in Erdfall- und Senkungsgebieten

. Abb. 19.14  Schema der regulären und irregulären Auslaugung nach Weber (aus Büchner 1996)

19

am südlichen Harzrand anzutreffen, wo die Anhydrit- und Salzlager unter wenigen hundert Metern Überdeckung liegen (. Abb. 19.14). Bei mächtigerer Überdeckung des Zechsteinsalinars wie in Osthessen zeichnen sich Webers oben genannte Auslaugungsbezirke weniger deutlich ab. Im Westteil des Werra-Fulda-Beckens scheinen die Salzhänge nach Laemmlen et al. (1979) und Prinz (1980) mehr von der Paläogeographie des Zechsteinmeeres abhängig zu sein als von der fortschreitenden Subrosion. Die verschiedenen Randbecken des Zechsteinmeeres mit 100–300 m mächtigen Steinsalzablagerungen im Zechstein 1 werden hier von Schwellen mit Sulfatfazies begrenzt, die offensichtlich noch heute weitgehend den Salzhangbereich markieren. In diesen teilweise sehr breiten Übergangsbereichen von der eigentlichen Beckenfazies zu der dort weit verbreiteten Sulfatfazies verzahnen sich offensichtlich die Chlorid- und Sulfatfazies schichtweise, und es treten bevorzugt die seit Ende der 1960er-Jahre durch die Arbeiten von Herrmann aus Südniedersachsen und Prinz aus Ost- und Nordhessen (Literatur s. Prinz 1980) bekannt gewordenen Einbruchschlote auf. Im Ostteil des Werra-Fulda-Beckens, dem Werra-Kaligebiet, ist der reguläre Salzhang dagegen relativ breit

und weist sowohl vorgelagerte Senken (Werratal südlich Bad Salzungen, Moorgrund) als auch zahlreiche spalten- und erdfallartige Subrosionsformen auf, deren bekannteste der Burgsee am Innenrand des Salzhanges in Bad Salzungen sein dürfte (Bauriegel 2004). Je nach paläogeographischer Position ist also bei mehr oder weniger horizontaler Lagerung des Zechsteins mit unterschiedlichen Folgeerscheinungen des tiefen Salinarkarstes in Form einer Kombination von Sulfat- und Chloridkarst zu rechnen, und zwar als: 44Salzhang am Außenrand der mehr oder weniger geschlossenen Steinsalzlagerstätte zum salzfreien Gebiet, 44Subrosionssenken und -kessel der irregulären Auslaugung i. S. Webers mit ihren lokalen Salzhängen in den Steinsalzbecken und z. T. auch im Salzhangbereich und 44fossile Einbruchsschlote über Schwellenbereichen mit mächtiger Sulfatfazies und teilweiser Verzahnung von Steinsalz- und Sulfatfazies. Die zahlreichen größeren Subrosionssenken sind i. d. R. auf irreguläre Auslaugung, z. T. auch auf Auslaugung kleinerer vorgelagerter

767 19.2 · Ursachen von Senkungen und Erdfällen…

Steinsalzbecken zurückzuführen (Prinz 1980). Von Lohmanns (1962) Modellvorstellungen über die Formenentwicklung bei der irregulären Salzauslaugung hat sich in der Praxis nur das Trichter- und Kesselstadium als brauchbar erwiesen. Irreguläre Auslaugung entsteht durch örtlich verstärkte Subrosionsvorgänge im Salinaruntergrund als Folge tektonischer Bruchstrukturen und Spaltenbildungen, die z. T. tief in das Salzlager reichen und offen oder mit Hangendmaterial verfüllt sind (Hoppe 1960). Teilweise schlagen die tektonischen Störungszonen bis in das Subsalinar durch und initiieren Auslaugung vom Liegenden her. An anderer Stelle kann die lokale Subrosion ursprünglich durch eine ebenfalls bruchtektonisch bedingte Salzaufpressung und Salzkissenbildung an der Salzoberfläche oder auch durch weit durchstreichende Basaltgänge ausgelöst worden sein. Die aufgewölbten Salzkissen sind der Subrosion verstärkt ausgesetzt gewesen, wurden als Erstes abgelaugt und lösten örtlich verstärkte Gebirgsreaktionen aus, mit ausgeprägten Versturzbrekzien im Senkenzentrum und Ausbildung begrenzter Subrosionssenken mit relativ steilen umlaufenden Salzhängen. Im Senkentiefsten liegen vielfach mächtige tertiäre und jüngere Sedimente, z. T. mit Torfbildungen. In einigen jüngeren Senkungsformen sind die Bewegungen anscheinend noch nicht ganz abgeklungen (Aderhold 2005). Von einigen irregulären Subrosionssenken im Werra-Kaligebiet ist bekannt, dass hier zwar eine beträchtliche Ablaugung des Werrasteinsalzes vorliegt, dieses aber noch in größerer Restmächtigkeit erhalten ist. Nur bei den großflächigen Subrosionssenken wie Oberzella hat man eine fast völlige Ablaugung des Werrasteinsalzes festgestellt (Haase und Oettel 1963). Von den lokalen Auslaugungssenken im Fuldaer Becken liegen darüber keine Angaben vor. Das geomechanische Modell der Gebirgsreaktionen am Salzhang unterscheidet sich deutlich von der Formenentwicklung von Erdfällen des Sulfat- und Karbonatkarstes und auch der fossilen Großerdfälle im Chloridkarst. In das durch mehr oder weniger flächige, häufig auch lineare Steinsalzablaugung entstandene Volumendefizit sinkt das Deckgebirge nach, wobei

19

es unter Ausnutzung des vorgegebenen Kluftgefüges im Wesentlichen zu einem Zerbrechen und Nachsacken des Gebirges in unterschiedlich breiten Schollen und zu entsprechender Spaltenbildung kommt. Eine gewisse Vorstellung über die intensive Zerrspaltenbildung mit weit geöffneten Spalten und nachbrechenden (Klein-) Schollen, selbst an einer „relativ stabilen Scholle“ (ehemalige Steinbruchwand) im Unteren Buntsandstein, zeigt das Titelfoto. Im Salz selbst sind größere, über längere Zeit stabile Hohlräume unwahrscheinlich, da Steinsalz ab etwa 200 m Überlagerung langfristig mit kriechenden Verformungen reagiert. Im Übergangsbereich zum Deckgebirge wurden verschiedentlich größere, mit Versturzbrekzien aus dem Hangenden verfüllte Spalten oder Hohlräume erbohrt. In Ausnahmefällen können solche Hohlräume, wie Beobachtungen in Nordspanien gezeigt haben, auch über lange Zeit offen bleiben. Die Hohlräume und Zerrspaltensysteme pausen sich durch mehrere hundert Meter Deckgebirge spalten- oder kaminartig nach oben durch und bewirken im Gelände spaltenartige Abbrüche, grabenartige Einsenkungen oder – über teilweise zusammenbrechenden aufgelösten Spaltensystemen – auch größere Einbrüche (Erdfälle). Erdfallartige Einbruchformen treten bevorzugt an Verschneidungen von tektonischen oder auch mit atektonischen, im Streichen der Auslaugungsfront neu entstandenen Bruchflächen auf. Ihre rundlichen Formen bilden sich meist erst beim Durchbrechen der Deckschichten aus. Die größeren Durchmesser von teilweise weit über 10 m setzen entsprechend große Ausgangshohlräume und auch große Mächtigkeiten der Deckschichten voraus. Für eine Bindung an Bruchflächen spricht auch die häufig zu beobachtende Lagekonstanz verschiedener aufeinander folgender Bruchphasen. Die stärksten Subrosionsaktivitäten finden normalerweise in einer über 1 km breiten Zerrungszone vor der Salzhanginnengrenze statt. Die Einbruchswahrscheinlichkeit ist zwar im Einzelnen sehr gering, infolge des Zeitfaktors sind aber in dieser Zone des Salzhanges Abbruchformen und Einbruchstrukturen gebietsweise weit verbreitet und zeichnen häufig tektonische Strukturen nach (s. Bauriegel 2004).

768

Kapitel 19 · Bauen in Erdfall- und Senkungsgebieten

. Abb. 19.15  Schummerungskarte eines Salzhangbereichs in Südwest-Thüringen mit Hangzerreißung und Spaltenbildung sowie Erdfällen auf der Grundlage von LaserscannerDaten (Auswertung Schmidt, TLUG Weimar)

Die aufwendigen Geländearbeiten bei der Kartierung solcher kleinräumigen oder regionalen Salzhänge werden heute durch die Laserscan-Technik (7 Abschn. 4.3.1 und 15.2.3) wesentlich erleichtert, mit der hochgenaue digitale Geländemodelle bzw. Schummerungskarten der Geländeoberfläche ohne Bewuchs erstellt werden können ( . Abb. 19.15 ). Die großflächige Erkundung erfolgt auch durch Geophysik. Die Salzhanginnengrenze, d. h. die Grenze des mehr oder weniger intakten Werrasteinsalzes zur subrosionsbedingten Reduzierung des Salinars, zeichnet sich im seismischen Tiefenprofil dadurch ab, dass der obere

Reflexionshorizont des Plattendolomits des Zechstein 3 in ein deutlich gestörtes Reflexionsbild übergeht. Die bekanntesten Formen der irregulären Auslaugung im Bereich des Fuldaer Beckens sind die Subrosionssenken von Großenmoor, Wehrda ( . Abb. 19.16) und Rothenkirchen, mit der aktiven Senkungszone und jüngsten Erdfällen in der „Wildkaute“ bei Steinbach (. Abb. 19.17). Im Werra-Becken Südwestthüringens sind dies die meist nahe der Salzhanginnengrenze gelegenen Subrosionssenken von Frauensee mit den jüngeren Spaltenbildungen und Erdfällen im Gewann „Hohle Berge“ und

19 . Abb. 19.16  Ostteil der Subrosionssenke von Wehrda mit aktivem Salzhang (s. Prinz 1979)

769 19.2 · Ursachen von Senkungen und Erdfällen…

19

. Abb. 19.17  Subrosionssenken von Wehrda und Rothenkirchen a. d. Fulda mit aktiven Salzhängen (nach Aderhold 2005)

von Tiefenort-Kiesselbach sowie die Senken von Oberzella, Vacha, Gestungen und Horschlitt (Bauriegel 2004). Am Salzhang in Tiefenort (Wartburgkreis) ist 2002 ein Erdfall von fast 10 m Durchmesser eingebrochen. In den Folgejahren traten mehrfach kleinere Nachbrüche auf, sodass fünf Gebäude geräumt werden mussten (s. Schmidt und Wunderlich 2011). Bei Tiefenort werden in einem Umkreis von etwa 1,5 km insgesamt 15, heute im Gelände noch deutlich erkennbare Einbruchformen beschrieben. Im heutigen Salzverbreitungsgebiet des Werra-Beckens sind außerdem noch die großflächigen irregulären Subrosionssenken von Oberzella und Stadtlengsfeld zu erwähnen. In den bekannten Subrosionssenken von Rollsdorf und von Volkstedt/Eisleben im südöstlichen Harzvorland wurden die natürliche Subrosion und ihre Folgeerscheinungen zunächst durch die Wasserhaltung des Mansfelder Kupferschieferbergbaus und nach seiner Einstellung von den Auswirkungen des Wiederanstiegs des Grundwassers überlagert. Die Subrosion und ihre Folgeerscheinungen liefen deshalb hier über Jahrzehnte wie im Zeitraffertempo ab und boten günstige Studienobjekte (Reuter et al. 1977). Über den Rückgang der Senkungen mit der Zeit berichten Herold und Strobel (1999) und Herold (2015, s. a. 7 Abschn. 19.2.2.2). Die seit Ende der 1960er-Jahre bekannten fossilen Einbruchsschlote sind die Durchbruchsröhren von Großerdfällen, die während der jüngeren Tertiärzeit und im Pleistozän gebrochen sind und die das mehrere hundert

Meter mächtige Deckgebirge vom Buntsandstein bis teilweise zum Keuper steil durchschlagen haben. Ihre Entstehung führt Prinz (1979, 1980) auf das Einbrechen größerer Hohlräume in der Sulfatfazies mit Steinsalzeinlagerungen zurück. Der kaminartige Schlot entwickelt sich durch allmähliches Hochwandern von Nachbrüchen in der spannungsfreien Zone über der Firste, ohne dass es zur Ausbildung einer Gewölbewirkung oder zu einer Auffüllung der Hohlräume durch die Bruchmassen kommt (7 Abschn. 16.4.2.2). Durch die Ausbildung eines Gewölberinges um den Schlot sind die Schlotwände über größere Höhe standfest, wobei die Geometrie des Schlotes häufig von Großkluft- oder Verwerfungsflächen bestimmt wird und die rundlichen Formen sich erst in der Verwitterungszone und den Deckschichten ausbilden. Die Schlotentwicklung ist auf diese Weise weitgehend unabhängig von der Überlagerungshöhe. Die Füllung der Schlotröhren besteht aus Versturzmassen der zur Zeit ihrer Entstehung überlagernden Schichten. Ihre Durchmesser betragen meist 20–50 m, z. T. über 100 m. Die Grundrissformen sind rund bis elliptisch, z. T. auch lang gestreckt, da die Schlote vielfach an Verwerfungen oder Kreuzungen von tektonischen Strukturen hochgebrochen sind. Die Schlotumgrenzung steht meist steil; in Anpassung an die Klüftung können auch leicht schräge oder abgeknickte Aufbrüche auftreten. Das umgebende Gebirge ist i. Allg. wenig gestört, aber im Randbereich z. T. deutlich aufgelockert. Die Schlote sind vielfach in mehreren Bewegungsphasen eingebrochen.

770

Kapitel 19 · Bauen in Erdfall- und Senkungsgebieten

Über fossile Einbruchsschlote im südlichen Niedersachsen, in Ostwestfalen und in Nordhessen berichten Grimm und Lepper (1973) sowie Knapp (1983). Jung- und nacheiszeitliche Einbrüche mit heute noch erhaltener morphologischer Ausprägung als Großerdfälle sind nur gebietsweise anzutreffen. Die bekanntesten sind die sechs Erdfälle im Bendelebener Holz bei Sondershausen/Thüringen, die in geschichtlicher Zeit entstanden sind (Brust und Kupetz 1993), die Wolkenbrüche bei Trendelburg in Nordhessen mit dem Nassen Wolkenbruch (Ø 150 m, Tiefe 47,5 m) und dem Trockenen Wolkenbruch (Ø 70 m, Tiefe 20 m) sowie die Meere bei Bad Pyrmont und zahlreiche Moortrichter in Ostwestfalen (Literatur s. Prinz 1979: 96). Rezente Nachbrüche treten nur ganz vereinzelt auf. So ereignete sich der letzte Nachbruch in Bad Pyrmont am „Unter dem Meere“ im Jahre 1929 (Herrmann 1968: 272). Aus Nordhessen ist das „Seeloch von Kathus“ bei Bad Hersfeld bekannt (Finkenwirth und Holtz 1974). Bei einem Nachbruch der Erdfallquelle von Bad Vlotho-Seebruch in Ostwestfalen (Deutloff et al. 1974) kam es auch zu Gebäudeschäden. 1970 entstand hier in einem alten, vor mindestens 8000 Jahren entstandenen Erdfall von 50 m Durchmesser plötzlich ein neuer, rd. 25 m tiefer Einbruch, dessen Durchmesser auf 80 m anwuchs. Einige Stunden nach dem Haupteinbruch drang aus der Tiefe mineralisiertes Grundwasser hoch, füllte den Trichter auf und lief schließlich über den Trichterrand aus. Weltweit sind zahlreiche Großerdfälle, z. T. auch mit Bauschäden, bekannt. Eine Zusammenstellung findet sich bei Molek (2004). Diese seltenen natürlichen Ereignisse dürfen nicht verwechselt werden mit Einbrüchen über abgesoffenen bergbaulichen Anlagen, wie sie von Reuter et al. (1977) beschrieben werden. 19.2.3.3 Karsterscheinungen

19

über oberflächennahen Salzstöcken

Im Gebiet des nordwestdeutschen Tieflands sind die ursprünglich tief liegenden Salzmassen als Salzstöcke in das Deckgebirge aufgedrungen (7 Abschn. 3.5.5). Eine Zusammenstellung der umfangreichen Literatur bringt

Jaritz (1973). In den Karpaten ist dieser Prozess an einigen Salzstöcken zu studieren, die heute noch etwas schneller aufsteigen, als sie abgelaugt werden. An den bis in die Nähe der Erdoberfläche aufgestiegenen Salzstöcken sind die oberen Partien teilweise ausgelaugt. Bei annähernd horizontaler Ausbildung der Grenzfläche spricht man von einem Salzspiegel, obgleich innerhalb desselben noch erhebliche Niveauunterschiede auftreten können. Bei Lösungsmetamorphosen im Salzspiegelbereich entstehen Gips- und Kainitbildungen, die als Gips- und Kainithut bezeichnet werden (Kainit = KMgClSO4 × 2,75 H2O). Der Gipshut stellt ein wassererfülltes, hohlraumreiches Gebirge dar, das unter besonderen hydrodynamischen Bedingungen Karstphänomene aufweist (7 Abschn. 19.2.2.3). Die natürlichen Senkungsbeträge über Salzstöcken erreichen bis zu 3 mm im Jahr, wobei sich die Senkungszentren im Laufe der Zeit verlagern können (Sniehotta 1979). Durch die Förderung natürlicher Sole aus dem Salzspiegelbereich können diese Senkungen beschleunigt werden und erreichen dann Werte bis zu einigen Zentimetern pro Jahr. Derartige Erscheinungen sind vom Salzstock Stade (Hofrichter 1967), von der ehemaligen Saline Schöningen (Kosmahl 1972) und von Lüneburg (Niedermeyer 1957) bekannt. Bei modernen Tiefsolverfahren sind solche Bodensenkungen kaum noch zu befürchten. Ein Beispiel für diese Erscheinungen ist die Stadt Lüneburg. Ein Teil ihrer Altstadt liegt über einem Salzstock, dessen Salzspiegel von rd. 1,2 km2 Fläche nur 40–70 m unter der Geländeoberfläche liegt und damit einer der höchstgelegenen Salzspiegel Norddeutschlands ist. Seit über 1000 Jahren hat die Lüneburger Saline aus dem Salzstock ihre Sole mit einem natürlichen NaCl-Gehalt von 270–300 g/l gewonnen. 1961 wurde auf Tiefensolung aus 500 m Tiefe umgestellt. Vor der Umstellung erreichten die Senkungen besonders in der östlichen und nördlichen Randzone Beträge von 20–30 cm in 10 Jahren. In Zonen stärkerer Senkungen traten auch immer wieder Erdfälle auf. Am Rande der stärkeren Senkungsgebiete waren außerdem

771 19.2 · Ursachen von Senkungen und Erdfällen…

19.2.4

. Abb. 19.18  Horizontalverschiebungen an dem unter Denkmalschutz stehenden Gartentor in der Frommestraße 2 in Lüneburg

erhebliche positive, im Muldentiefsten negative Längenänderungen zu verzeichnen. Ein typisches Beispiel für solche negativen Längenänderungen, die sich auf Gebäude als Pressungen auswirken, zeigte das Gartentor in der Frommestraße 2 im nordöstlichen Senkungsmaximum (. Abb. 19.18). Von 1898 bis 1960 haben sich die Torflügel um 73 cm gegeneinander geschoben, bei einer gleichzeitigen Senkung von 195 cm. Die Hauptschäden in Lüneburg kommen auch weniger durch Erdfälle als durch die Vertikalund Horizontalbewegungen zustande. Von 1949 bis 1960 mussten mehr als 170 Gebäude abgebrochen werden. Die Lüneburger Saline wurde 1980 endgültig geschlossen. Auch von einigen Heilbädern in Nordwürttemberg, die jahrzehntelang Solung aus den Steinsalzlagern des Mittleren Muschelkalks betrieben haben, werden Geländesenkungen bis zu 1 m gemeldet (Wagenplast 2005). Fenk (2002) berichten von einem solchen Senkungsverlauf bis zur und nach Einstellung der Solung.

19

Erdfälle durch Erosions- und Suffosionserscheinungen in nichtlöslichen Lockergesteinen

Die Erscheinungen der Erosion und Suffosion von feinkörnigem Substrat in Lockergesteinen sind bereits in den 7 Abschn. 2.2.6 und 18.2.4 behandelt worden. Die wohl bekannteste Form der unterirdischen Erosion ist die sog. Lösssubrosion (Karrenberg und Quitzow 1956; Prinz 1969). Sobald im Löss, der aufgrund seiner ablagerungsbedingt porigen Struktur an sich schon wasserdurchlässig ist, eine bevorzugte lineare Wasserbewegung auftritt und die Fließgeschwindigkeit so groß wird, dass die Schleppkraft ausreicht, das vorwiegend mittel- bis grobschluffige Lösskorn mitzunehmen und in Schwebe zu halten, werden im Löss leicht Hohlräume ausgespült. Die Subrosion setzt an der Stelle der Fließgeschwindigkeitserhöhung ein und führt rückschreitend zu kubikmetergroßen Hohlräumen. Das weggeführte Lössmaterial wird meist in besser wasserwegsamen Untergrund eingespült. Die Subrosion wird häufig durch menschliche Eingriffe ausgelöst oder beschleunigt (undichte Leitungen, Kanäle, Quellfassungen, alter Bergbau u. a. m.). Mainz et al. (2007) berichten von Erdfällen über Altbergbaugebieten, ausgelöst durch verstärkten Sickerwasserabfluss in tagesnahe Abbauhohlräume und rückschreitende Erosion in den Deckschichten. Ähnliche Erscheinungen sind auch von oberflächennahen alten Braunkohlegruben in Nordhessen bekannt, wobei abbaubedingte Bruchflächen in den Deckschichten (Lösslehm und Löss) als bevorzugte Wasserwege gewirkt haben und zahlreiche Erdfälle aufgetreten sind. Eine der Lösssubrosion verwandte Erscheinung ist die Suffosion nichtbindiger Lockersedimente. In derartigen Böden, z. B. in den münsterländischen Kreidesanden, kann es bei Versteilung des Grundwassergefälles (7 Abschn. 11.1) oder durch konzentrierte Einleitung von Oberflächenwasser entlang bevorzugter Wasserwege (Störungszonen oder Klüfte) zu Ausspülungen und zu rückschreitender Erosion kommen, mit z. T. größeren Hohlräumen im Untergrund und erdfallartigen Erscheinungen

772

Kapitel 19 · Bauen in Erdfall- und Senkungsgebieten

(Otto 2007). Im Buntsandsteinhangschutt der Rhön und des Odenwalds sind vereinzelt schon kleine Erdfälle infolge der Ausspülung von schluff- und feinsandhaltigem Solifluktionsschutt aufgetreten, und zwar bevorzugt in der Nähe von Grundwasserentnahmen mit Versteilung der Grundwasserströmung oder über gut wasserwegsamen Störungszonen. Von einem ähnlichen Fall der Suffosion feinklastischer Stauseesedimente über gröberkörnigen Bergsturzmassen in Nordtirol berichten Poscher und Patzelt (2000). Unabhängig von den natürlichen Hohlräumen im Löss sind in Gegenden mit größeren Lössmächtigkeiten wie in Sachsen und Franken, aber auch in Oppenheim am Rhein meist schon im Mittelalter angelegte Lösskeller anzutreffen, die damals als Lagerräume oder Fluchtgänge dienten. Diese nicht verbauten Hohlräume im Löss verlieren im Laufe der Zeit und besonders bei konzentrierten Wasserzutritten ihre anfangs gute Standfestigkeit und stellen heute eine gewisse Gefahr dar (s. Engel und Lauer 2003). Andererseits werden sie aber nach Sanierung als Touristenattraktion genutzt (Oppenheim). Eine regionale Besonderheit und Relikte früheren bäuerlichen Kleinbergbaus sind die gebietsweise gehäuft auftretenden abflusslosen Hohlformen von ehemaligen Mergel- und Lehmkauten sowie die sog. Sand- oder Lössbrunnen , wie sie besonders im Rheinland bekannt sind (Gerlach 2012, darin Lit.). Bei den Brunnenrelikten handelt es sich um mehr oder weniger verfüllte oder verfallene ehemalige Schächte (Ø etwa 80 cm), über die in Tiefen von 6–8 m in davon abgehenden Stollen Löss (Mergel) oder auch Bausand gewonnen wurde. Die Schachtrelikte können weiter einbrechen und zu erdfallartigen Strukturen führen. 19.3 Ingenieurgeologische

Untersuchungsmethoden

19

Die Voraussage von Senkungen und Erdfallereignissen ist immer schwierig. In den letzten Jahrzehnten zeichnet sich jedoch ab, dass sich Karstsysteme nicht rein zufällig entwickeln, sondern deutlicher als erwartet eine gewisse Abhängigkeit von bestimmten geologischen

Faktoren zeigen, z. B. von einzelnen besonders anfälligen Schichtgliedern, von Großkluft- und Störungssystemen sowie von ehemaligen Grundwasser- und Quellhorizonten (7 Abschn. 19.2.1.2). Diese Erkenntnisse erleichtern in vielen Fällen das Erstellen von Prognosemodellen (s. Jeannin et al. 2006). Die Verfahren zur Erkundung und Beurteilung des Baugrundes in Senkungs- und Erdfallgebieten sind von der Art der zu erwartenden Ereignisse sowie von der Größe und Konstruktion der Bauwerke, insbesondere von ihrer Empfindlichkeit gegenüber Verformungen und Einbrüchen abhängig (Geotechnische Kategorie GK 3). Bei Verkehrsprojekten ist z. B. bei der Erkundung zu unterscheiden zwischen 44Einzelerkundung von Brückenfundamentstandorten, 44flächiger Erkundung von Einschnitts- und Dammstreckenabschnitten und 44Erkundung für Tunnelprojekte gem. 7 Abschn. 17.2.4. In Erdfall- und Senkungsgebieten muss grundsätzlich mit einem erhöhten Untersuchungsaufwand gerechnet werden, der aber noch in Relation zum Schadensfall bzw. zum Sicherungsaufwand stehen muss. Als Einzelmaßnahmen kommen dabei in Betracht (Kielbassa et al. 2015): 44ingenieurgeologisch-morphologische Kartierung im Gelände und ggf. im Planum, 44Befragung von Einwohnern und Erkundigung bei einschlägigen Behörden, 44Geophysik: hochauflösende Refraktions-/ Reflexionsseismik, einschließlich Bohrlochtomographie sowie ggf. Mikrogravimetrie gem. 7 Abschn. 4.3.2.1 und 19.3.3, 44ergänzende Kernbohrungen, besonders an Verdachtsstellen der geophysikalischen Erkundung. Wegen der Tiefenbegrenzung der Aussagekraft der indirekten Aufschlussverfahren (Geophysik) ist es ggf. zweckmäßig, die Haupterkundung in die Bauphase zu verlegen und als baubegleitende Maßnahme im jeweiligen Aushubniveau vorzunehmen (7 Abschn. 17.2.4).

773 19.3 · Ingenieurgeologische Untersuchungsmethoden

Die Erkundung darf sich nicht allein auf Erdfälle und Senkungen als direkte Karstfolge beschränken. Unabhängig davon können je nach Ausbildung des Karstgesteins im Untergrund unterschiedlich alte und dementsprechend z. T. locker gelagerte oder weiche Residualbildungen oder Residualbrekzien bzw. Resthohlräume vorliegen, die bei Bauwerksgründungen zu beachten sind. In auslaugungsbedingten zwischen- oder nacheiszeitlichen Senkungsformen können auch mächtige Torfe oder organogene Sedimente auftreten. 19.3.1

Risikobewertung und Sicherheitskonzept

Der Gefährdungsgrad eines Gebietes ist in hohem Maße von der Flächennutzung abhängig. Auf land- und forstwirtschaftlichen Flächen ist der Schaden i. d. R. gering. Mit zunehmender Nutzungsintensität können Schäden an Verkehrswegen, Leitungstrassen und Gebäuden unterschiedlicher Art auftreten. Im Einzelnen ist der Gefährdungsgrad eines Gebietes bestimmt durch: 44die geologische und tektonische Situation, 44Art und Tiefenlage des Karstgesteins, 44Grundwasserstand, Wechselstände, Durchlässigkeit und Fließrichtung, 44Anzahl und Größe von Senkungen oder Erdfällen im vergleichbaren Umfeld, 44Alter und Ereignishäufigkeit, 44Konstruktion, Zustand und Nutzungsbedeutung von Anlagen und Bauwerken. Für eine allgemein gültige Definition der Gefährdungsklassen kann folgende Buchstaben-/Zahlenkombination herangezogen werden: A

keine auslaugungsgefährdeten Gesteine im Untergrund

B

auslaugungsgefährdete Gesteine im tiefen Untergrund

C

auslaugungsgefährdete Gesteine oberflächennah

B/C 1

Karbonatkarst

B/C 2

Sulfatkarst

B/C 3

Chloridkarst

a

Erdfälle oder Senkungen sehr selten

b

Erdfälle oder Senkungen in der weiteren Umgebung

c

einzelne (1–2) Erdfälle oder Senkungen in der näheren Umgebung (100 m)

d

mehrere (>3) Erdfälle oder Senkungen in der näheren Umgebung*).

19

* Ggf. mit weiterer Unterteilung von c–d nach den Anfangsdurchmessern in m (z. B. B/C3 c2).

Beim Subrosionskataster Thüringen werden die Gefährdungsklassen ebenfalls nach einer Buchstaben-/Zahlenkombination definiert (Biewald 2004a). Andere, regional z. T. wesentlich detailliertere Gefährdungszonen und -bilder wurden für den Bau der NBS Nürnberg–Ingolstadt durch die Frankenalb entwickelt (7 Abschn. 17.2.4). Auch die Handlungsempfehlungen der Straßenbauverwaltungen der Länder Sachsen-Anhalt und Thüringen enthalten auf den Straßenbau zugeschnittene Gefährdungsklassen. Das Sicherheitskonzept in Bezug auf Senkungen oder Erdfälle basiert, abgesehen von unvorhersehbaren, plötzlichen Ereignissen, auf einem mehrstufigen System. Die einzelnen Stufen sind erstens die vorangegangene Risikobewertung und zweitens das Auftreten leichter Schäden im Grenzzustand der Gebrauchstauglichkeit, das gleichzeitig eine Vorwarnung für ein weitergehendes Versagen (Tragfähigkeit) darstellt. Dazwischen ist i. d. R. Zeit für Rettungs- bzw. Sicherungsaktionen gegeben. Für eine allgemeingültige Risikobewertung haben sich folgende Definitionen bewährt: 44Akute Gefährdung liegt vor, wenn in absehbarer Zeit mit hinreichender Wahrscheinlichkeit ein Ereignis zu erwarten ist, das eine ernste Bedrohung von Schutzgütern bedeutet. Eine solche Situation erfordert i. d. R. einen zeitnahen Handlungsbedarf bzw. die Einleitung von Sofortmaßnahmen. 44Potenzielle Gefährdung ist gegeben, wenn ein Schadensereignis mittelfristig (einige Monate bis wenige Jahre) mit einiger Wahrscheinlichkeit zu erwarten ist. Es

774

Kapitel 19 · Bauen in Erdfall- und Senkungsgebieten

besteht ein planmäßiger Handlungsbedarf für eine umfassende Erkundung und Bewertung der Situation sowie für ein intensives Monitoring. 44Latente Gefahr liegt vor bei geringer Eintrittswahrscheinlichkeit für ein Ereignis, das weder nach Zeit, Ort und Ausmaß näher zu bemessen ist. In der Regel ist von einem Klärungsbedarf auszugehen, d. h., eine allgemeine Erkundung und Bewertung der Situation müsste ausreichend sein. Bei einer Risikobewertung ist zu berücksichtigen, dass die Eintrittswahrscheinlichkeit und auch die Erdfallgröße nicht nur starken Streuungen unterliegen, sondern sich mit der Zeit und damit auch in der Nutzungsdauer des Projekts ändern können. 19.3.2

19

Geologisch-morphologische Verfahren

Die ingenieurgeologischen Baugrunduntersuchungen in Karstgebieten bedienen sich geologisch-morphologischer, geophysikalischer und der üblichen geotechnischen Verfahren. Die geologisch-morphologische Erkundung ist in erster Linie eine Bestandsaufnahme, wobei nach Möglichkeit ältere Karten, Archivunterlagen und Luftbilder aller Art verwendet werden sollten. Mit Drohnen können Erdfälle nicht nur fotografiert, sondern auch vermessen werden. Bei der Luftbildauswertung und den digitalen Geländemodellen (DTM) mittels Laserscanning (LIDAR, 7 Abschn. 4.3.1 ist zu beachten, dass dabei in erster Linie oberflächige Hohlformen und Zonen oberflächennaher Verkarstung erfasst werden, aber keine über tiefer liegenden Gebirgsbereichen. Bei der Auswertung von Luftbildern i. w. S. kann zwischen „einigermaßen gesicherten“ und „vermuteten“ Erdfallformen sowie (auffälligen) Senkungsmulden unterschieden werden. Engräumige Senkungsmulden können sowohl eigenständige Karstformen als auch die zeitlichen Vorläufer von Erdfällen darstellen. Auch bereits gebrochene Erdfälle können in flachen Senken liegen. Besonders auffällig sind zeitweise wassererfüllte Senken.

Da Erdfälle und sonstige Karststrukturen in Gebieten mit dichter Vegetation meist besser erhalten sind als in der Feldflur, können diese auf den o. g. digitalen geschummerten Reliefkarten mit der von Bewuchs befreiten Geländeoberfläche am besten sichtbar gemacht werden. Diese Art der Erkundung kann jedoch eine intensive Geländebegehung und Befragung der Einwohner nicht ersetzen, wobei allerdings zu berücksichtigen ist, dass die menschliche Erinnerung durchaus einem beeinflussbaren Wandel unterliegt. Kartiert und erfragt werden Erdfalldaten über vorhandene und nach Möglichkeit auch verfüllte Erdfälle und verdächtige Senken, andere morphologische Auffälligkeiten und auch Schäden an Bauwerken und sonstigen Einrichtungen. Dabei ist zu beachten, dass Erdfälle in der Nähe von Siedlungen und in der Feldflur meist bald verfüllt werden und nicht mehr ohne weiteres zu erkennen sind, wodurch möglicherweise eine größere Erdfallhäufigkeit in Waldgebieten vorgetäuscht wird. Die bautechnischen Kriterien von Erdfällen sind die Erdfallhäufigkeit, bezogen auf km2 und eine Zeitangabe (Jahr, Jahrzehnt, Jahrhundert), sowie die Anfangsdurchmesser. Letztere sind aus den abgeflachten Formen älterer Erdfälle oft schwer abzuschätzen (s. dazu . Abb. 19.10). Aus Niedersachsen, Sachsen-Anhalt und Hessen liegen statistische Auswertungen über die Anfangsdurchmesser von Erdfällen vor (. Tab. 19.3; Heckner und Herold 1995; Aderhold 2005). Danach haben die meisten Erdfälle im Gipskarst Anfangsdurchmesser von unter 3–4 m. Erdfälle mit größeren Anfangsdurchmessern sind selten (7 Abschn. 19.2.2.2). Das Alter von Erdfällen kann in der Statistik dadurch berücksichtigt werden, dass länger zurückliegenden Erdfallereignissen geringere Bedeutung beigemessen wird als Erdfällen, die erst in den letzten Jahren bis Jahrzehnten aufgetreten sind. In den meisten Fällen ist allerdings das Alter der Erdfälle unbekannt, sodass man auf Schätzungen aufgrund der Morphologie angewiesen ist. Im Harzvorland sind von 1987 bis 1990 alle bekannten Erdfälle auf Karten und in Dateien erfasst worden (Büchner 1991; Heckner und

775 19.3 · Ingenieurgeologische Untersuchungsmethoden

19

. Tab. 19.3  Anfangsdurchmesser von Erdfällen im südlichen Niedersachsen und in Sachsen-Anhalt (aus Büchner 2006) südliches Niedersachsen

Sachsen-Anhalt

Anfangsdurchmesser [m]

Häufigkeit [%]

Anfangsdurchmesser [m]

Häufigkeit [%]

10

0,5

Herold 1995). In Thüringen werden seit 1990 in einem Fachinformationssystem (FIS) „Georisiko-Thüringen“ u. a. alle subrosiv entstandenen oberflächigen Hohlformen und Erdfälle dokumentiert und eine Gefährdungsklasse ausgewiesen (Biewald 2004a; Schmidt 2004, 2008; Schmidt und Wunderlich 2011 und 7 Abschn. 4.2.2). In der Datenbank dieses Subrosionskatasters von Thüringen waren 2011 etwa 9500 Objekte gespeichert, die fast 60 % der Landesfläche betreffen (Schmidt und Wunderlich 2011). Von Nordosthessen liegt eine Karstgefährdungskarte 1 : 200.000 vor, mit zwei Beikarten: einer Häufigkeitskarte 1 : 100.000 und einer Dokumentationskarte 1 : 50.000 (Aderhold 2005). Auch von Nordrhein-Westfalen existiert eine, allerdings großmaßstäbliche Erdfallkarte (Strauß 2008). Für die Erstellung eines Katasters von Karsterscheinungen müssen i. Allg. folgende Daten erhoben werden: 44geographische Angaben: Land, Kreis, Gemeindebezirk, Lokalität (Flurstück), TK 25/TK 10, Koordinaten, Geländehöhe 44Objektbeschreibung; Art, Dimension, Entstehungszeit, Geländenutzung, Schäden 44Entstehungsursachen; Art und Tiefenlage des Karstgesteins, Ausbildung der Deckschichten, Angaben zum Grundwasser, Entstehungsmechanismus (auch anthropogene Einflüsse)

44ingenieurgeologische Bewertung; Gefah-

renpotenzial bzw. Gefährdungskategorie, Sofort- bzw. Sanierungsmaßnahmen, Kontrollmöglichkeiten.

19.3.3

Geophysikalische Messverfahren

Bauen in senkungs- oder erdfallverdächtigen Gebieten erfordert i. d. R. eine flächenhafte Erkundung des Baufeldes und des näheren Umfeldes. Dazu sind außer der Luftbildauswertung (7 Abschn. 19.3.2) in erster Linie geophysikalische Oberflächenmessungen geeignet. Diese gehören heute zum Standard, um die nachfolgenden Bohraufschlüsse gezielt und ergebnisorientiert ansetzen zu können. Die Geophysik liefert in erster Linie Strukturdaten und indirekte Hinweise (Anomalien) auf gestörte Bereiche, die dann gezielt angebohrt werden können. Bei tieferen Einschnitten und Bauwerksstandorten kann es zweckmäßig sein, die geophysikalischen Messungen im Aushubniveau anzusetzen oder zu wiederholen. Zwischen nahestehenden Bohrungen und besonders zwischen Bauwerksbohrungen kann zusätzlich Bohrlochgeophysik zum Einsatz kommen. Die Tomographie liefert ein flächiges Bild der Geschwindigkeitsverteilung zwischen den Bohraufschlüssen (. Abb. 19.19).

776

Kapitel 19 · Bauen in Erdfall- und Senkungsgebieten

Die Methoden der Geophysik sind in

7 Abschn. 4.3.2 im Einzelnen beschrieben. Bei der

. Abb. 19.19  Geschwindigkeitsfeld einer CrossholeTomographie zwischen zwei Bohrlöchern. Dunkle Farbtöne stellen aufgelockertes Gebirge dar (Anomalien vp > 300 m/s), mittlere und helle Farbtöne gesundes Gebirge (vp < 1700 m/s; aus Kielbassa und Baumbusch 2015)

Erkundung von Karstphänomenen hat sich in den letzten Jahren die Hybridseismik, eine Kombination von hochauflösender Reflexions- und Refraktionsseismik, bewährt. Die Auswertung der Daten erfolgt entweder als seismisches Profil, das die gröberen Strukturen erkennen lässt, oder als refraktionstomographisches Geschwindigkeitsfeld, das die Verteilung der P-Wellen-Geschwindigkeit im oberflächennahen Bereich liefert (. Abb. 19.20). Geschwindigkeiten unter 1800 m/s stehen allgemein für Lockergesteine bis stark entfestigtes Gebirge. Das Geschwindigkeitsfeld weist i. d. R. eine unruhige Verteilung auf. Eingestreute Felder mit 300–500 m/s zeigen aufgelockerte oder verkarstete Bereiche an. Gesundes Gebirge ist erst ab Geschwindigkeiten von 2500–3500 m/s zu erwarten. Bei den geoelektrischen Verfahren lassen sich über die Verteilung der elektrischen Widerstände im Untergrund lokale Toneinlagerungen bzw. die Lagerungsverhältnisse und Auflockerungszonen erkennen. Die Methode eignet sich in erster Linie für Einzelstandorte, weniger für die Fläche.

19 . Abb. 19.20  Ausschnitt aus einem hybridseismischen Profil (rechts) und refraktionstomographisches Geschwindigkeitsfeld des oberflächennahen Bereichs (aus Frei 2015)

777 19.3 · Ingenieurgeologische Untersuchungsmethoden

Mikrogravimetrie wird relativ häufig eingesetzt. Das Messergebnis zeigt eine Verteilung der Schwerewerte. Minimalwerte weisen auf örtliche Massendefizite hin, die als Anzeichen für Karststrukturen im oberflächennahen Untergrund gedeutet werden. In wenigen Fällen können oberflächennahe Hohlraumbildungen auch direkt detektiert werden (7 Abschn. 4.3.2 und Plinninger et al. 2005a). Nach der sog. „1:2-Regel“ muss ein Hohlraum in 10 m Tiefe einen Durchmesser von mindestens 5 m aufweisen, um einigermaßen zuverlässig detektiert werden zu können (. Abb. 19.21 und 7 Abschn. 17.2.4). Hohlfeld et al. (2011) berichten von der erfolgreichen Erkundung eines etwa 10 m großen Karsthohlraums in 15 m Tiefe mittels engmaschiger gravimetrischer Messungen. Auch der Auflockerungsbereich darüber zeichnete sich ab. Im südthüringischen Triasgebiet konnte allerdings beim Baumleite-Tunnel der DB-Strecke Ebensfeld–Erfurt ein in 5–11 m Tiefe (später) aufgefahrener Hohlraum mit einem Querschnitt von 3,5 × 4,5 m mit vorher durchgeführter Reflexionsseismik nicht detektiert werden. An derselben Strecke wurde im Bleßbergtunnel ein beim Vortrieb aufgefahrenes über 1000 m langes Höhlensystem ebenfalls vorab nicht erkannt. Auch steil stehende kluft- oder spaltengebundene Hohlräume sind mit Oberflächengeophysik kaum zu erfassen. Die Eignung und Aussagekraft der angebotenen Methoden sollte daher immer aus vergleichbaren Projekten bekannt sein oder aber vorab in Testmessungen über bekannten Karststrukturen überprüft werden.

. Abb. 19.21  Mittels Sonarvermessung ermittelter Hohlraumquerschnitt (nach Schweikhardt 2007)

19

Eine Lokalisierung von tieferen Karsthohlräumen ist mit den heutigen Standardmethoden der Geophysik nicht möglich, da das Auflösungsvermögen mit zunehmender Tiefe stark abnimmt. In Bohrungen angetroffene Hohlräume können mittels Kamerabefahrung bzw. optischen Scannern (ETIBS), lasergestützter 3D-Hohlraumvermessung oder durch U ­ ltraschall- bzw. Sonarvermessung (Letztere z. B. unter Grundwasser) vermessen werden (.  Abb. 19.21 und Rogowski 2002; Hellmann 2009). 19.3.4

Geotechnische Untersuchungsverfahren

Für Projekte in Erdfall- und Senkungsgebieten müssen die Baugrundaufschlussbohrungen mit größerem Aufwand betrieben und in kleineren Abständen angesetzt werden als sonst. Zweckmäßig ist eine Verbindung mit geophysikalischer Vorerkundung. Ziel der Untersuchungsarbeiten ist die Erkundung folgender Faktoren: 44Tiefenlage und Zustand des Karsthorizonts, Hohlraumformen, 44Tiefenlage der nicht von Verkarstung betroffenen Liegendschichten, 44Ausbildung der Deckschichten, 44Grundwasserführung, Wasserwegigkeit im Hinblick auf Verkarstung (Störungszonen). Bei flächigen Verkehrswegebauten hat sich darüber hinaus folgendes Vorgehen bewährt (ggf. als baubegleitende Maßnahme in Aushubsohle): 44kombinierte geophysiksalische Erkundung, 44Nacherkundung mittels direkter Aufschlüsse, 44dynamische Vorbelastung der Aushubsohle sowie sorgfältige Aufnahme und Dokumentation der jeweiligen Ergebnisse. Aufschlussbohrungen müssen i. d. R. als Kernbohrungen ausgeführt werden. Während des Bohrens müssen der Andruck und der Bohrfortschritt genau verfolgt und möglichst mittels MWD-System ( 7 Abschn. 4.4.5 ) registriert

778

19

Kapitel 19 · Bauen in Erdfall- und Senkungsgebieten

werden, um weiche Zonen oder Hohlräume zu erfassen. Außerdem ist eine genaue Spülungskontrolle notwendig. Bei Bohrungen im Steinsalz muss als Bohrspülung MagnesiumchloridLauge verwendet werden. Bei der ingenieurgeologischen Aufnahme der Bohrkerne ist besonders auf Lagerungsstörungen, Entfestigungen, nicht profilgerechte Spaltenfüllungen, Ablösungserscheinungen auf Kluftflächen u. a. m. zu achten. Auch der stratigraphischen Einstufung der Schichtenfolge ist mehr Bedeutung beizumessen als sonst üblich. Baugrundaufschlussbohrungen müssen grundsätzlich bis in den nächsttieferen, ungestörten und einwandfrei einzustufenden stratigraphischen Horizont niedergebracht werden. Die auslaugungsgeschädigten, unterschiedlich stark entfestigten und z. T. plastifizierten Ton- und Mergelsteine sowie besonders halbfeste oder plastische Residualbildungen sind oft schwer zu kernen. Der Konsolidationsgrad solcher entfestigten Tongesteine bzw. Residualbildungen ist je nach Alter des Verkarstungsprozesses sehr unterschiedlich (Beiche et al. 1995). Er kann ggf. mittels Rammsondierungen dokumentiert werden. Oberflächennah kommen dafür Sondierungen mit der schweren Rammsonde in Betracht ( . Abb. 4.14), in größeren Tiefen die Bohrlochrammsonde (7 Abschn. 4.4.6.1). Um die Steifigkeit versuchstechnisch belegen zu können, müssen auch in größeren Bohrtiefen ausreichend Sonderproben entnommen und untersucht werden. Karstgebirge sind i. d. R. sehr unterschiedlich wasserwegsam und weisen z. T. hohe Amplitudenausschläge des Karstwasserspiegels auf. Der Karstwasserstand muss daher immer über einen längeren Zeitraum beobachtet werden. In Gebieten mit anhaltenden Senkungen sollte deren Intensität und Verteilung durch ein Beobachtungsnetz von Messpunkten mit Nivellements verfolgt werden (. Abb. 19.22 und Heckner et al. 1999). Senkungen der letzten 10 Jahre können ggf. auch mittels SARInterferometrie großflächig erfasst werden (7 Abschn. 15.2.5).

. Abb. 19.22  Isolinien der Setzungsmessungen von April 1991 bis März 1992 des Beispiels aus . Abb. 19.9 (aus Magar 1993)

19.4

Bautechnische Maßnahmen

Die Forderung nach vollkommener Sicherheit in Erdfallgebieten ist auch bei sehr großem

Aufwand kaum erfüllbar. Wo Karstgebiete von Bebauung freigehalten werden können, sollte dies angestrebt werden. Die Schadensquote ist jedoch, von Sonderfällen abgesehen, meist nur gering, was vielerorts dazu führt, dass ohne Rücksicht auch auf bekannte Erdfall- und Senkungserscheinungen gebaut wird. Eine Bauleitplanung kann zwar dem Bauträger das Baugrundrisiko nicht abnehmen, Kenntnisse oder Anhaltspunkte über ein Gefahrenpotenzial müssen jedoch von den Behörden mitgeteilt werden. Bauplanung in potenziellen Erdfallgebieten wird aber immer umstritten bleiben. Übersteigerte Forderungen sind zwar wirtschaftlich nicht zu vertreten, doch sollte verhindert werden, dass heute noch Siedlungen und Verkehrswege in Karstgebieten entstehen, ohne dass entsprechende Untersuchungen bzw. Maßnahmen vorgesehen werden. Die Entstehung von Erdfällen natürlichen Ursprungs (Verkarstung) und die möglichen bautechnischen Maßnahmen sind weitgehend vergleichbar mit der Behandlung von Tagesbrüchen über bergbaulichen Hohlräumen in mittleren Tiefen (7 Abschn. 16.4.3). In beiden Fällen handelt es sich um den aktiven Senkungs- bzw.

779 19.4 · Bautechnische Maßnahmen

Verbruchsprozess eines Ausgangshohlraums im Untergrund, der sich durch stetes Nachbrechen der spannungsfreien Zone im Firstbereich (7 Abschn. 17.5.5) unter Einwirkung der Schwerkraft und in Abhängigkeit des Kluftgefüges bzw. der Kluftkörpergeometrie mehr oder weniger senkrecht durch das Deckgebirge bis zur Erdoberfläche hocharbeitet. Der Prozess kann zeitweise zum Stillstand kommen, was z. B. auf die Hohlraum-Bruchmassen-Bilanz (7 Abschn. 16.4.2.2) oder auf die Ausbildung gewölbeartiger, labiler Gleichgewichtszustände im Hangenden zurückzuführen sein kann, die aber auf Dauer nicht stabil sein müssen. Bei der Verfüllung von Erdfallformen ist außerdem immer zu bedenken, dass der Ausgangshohlraum in der Tiefe und auch der Verbruchschlot fast nie vollständig verschüttet sind und dass die Verbruchmassen relativ locker gelagert sind und auch noch Resthohlräume aufweisen können, sodass sowohl Nachsackungen auftreten können als auch Nachbrüche nicht auszuschließen sind. Bei größeren Erdfällen tritt auch immer die Frage nach der Stabilität der Randbereiche des Erdfalls auf. Erdfallränder zeigen infolge der zeitweisen Freilage der steilen Erdfallwandungen immer eine gewisse Gebirgsauflockerung gem. 7 Abschn. 16.4.2.2, die sich teilweise durch Bodenrisse und/oder leichte Einsenkungen bemerkbar macht, die aber auch noch Jahre später zu Nachsenkungen im Zentimeter- bis ungünstigenfalls Dezimeterbereich führen kann. Ungünstiges Schichteinfallen verstärkt dieses Problem. Auch in der Erdfallverfüllung sind schon bei vielen größeren Erdfällen nach Monaten und auch noch nach Jahren Nachbrüche im Meterbereich aufgetreten, auch unter Einbeziehung der Randbereiche, sodass hier auf Dauer ein Restrisiko gegeben ist. Die Planung von Bauprojekten in Erdfallverdachtsgebieten setzt eine gründliche ingenieurgeologisch-geotechnische Erkundung voraus. Dazu stehen auch einige wenige Richtlinien, Merkblätter und Handlungsempfehlungen zur Verfügung. Für Maßnahmen des

19

Straßenbaus liegt ein FGSV-Merkblatt über Straßenbau in Erdfallgebieten (2009) vor. Dazu kommen die Handlungsanweisungen einiger am stärksten betroffenen Bundesländer für die Erkundung und bautechnische Beherrschung von senkungs- und erdfallgefährdeten Straßenabschnitten (Sachsen-Anhalt 2003, Thüringen 2009). Wesentliche Faktoren zur Risikobewertung sind dabei die Häufigkeit von wahrscheinlichen Erdfallereignissen, die Eintrittswahrscheinlichkeit in Bezug zur Nutzungsdauer des Bauwerks und die Angabe eines Senkungsmaßes bzw. des maßgeblichen Anfangsdurchmessers, einschließlich der Möglichkeit einer zeitabhängigen Ausweitung. Über die verschiedenen Modelle zur numerischen Abschätzung von Erdfallereignissen im Lockergestein und die möglichen äquivalenten Durchmesser von Erdfällen in Abhängigkeit von den Deckschichten berichteten zuletzt Fenk und Ast (2004), Meier und Meier (2007) und Rogall und Bromen (2008). In den letzten Jahren wurde mehrfach versucht, den Verbruchprozess und die Gebirgsstabilität über Hohlräumen mithilfe numerischer Lösungen zu ermitteln (Schweikhardt 2007, darin Lit.). Der Verbruch eines Hohlraums ist abhängig von seinen Abmessungen, der Mächtigkeit und Verbandsfestigkeit des Deckgebirges und etwaiger Schwächezonen an Trennflächen. Als Gebirgsparameter werden für die verschiedenen Schichten dabei folgende Kennwerte benötigt: 44Wichte, 44Elastizitätsmodul, 44Poissonzahl ν bzw. Querdehnzahl, 44Scherfestigkeit φ’, c’, 44Zugfestigkeit des Gebirges. Die Angaben über die Zugfestigkeit des Gebirges variieren sehr stark (7 Abschn. 2.7.10.3). Sie kann an Schichtflächen des Hangendgesteins gegen Null abfallen. Die Zugfestigkeit ist aber ausschlaggebend für den Verbruchmechanismus. Nach dem derzeitigen Kenntnisstand kann es sich bei diesen Modellrechnungen immer nur um eine näherungsweise Abschätzung handeln.

780

19

Kapitel 19 · Bauen in Erdfall- und Senkungsgebieten

In aktiven Zerrungszonen von Salzhängen liegt i. d. R. eine wesentlich andere Entwicklung der Subrosionserscheinungen vor (7 Abschn. 19.2.3.2). Hier ist mit einer deutlichen Gebirgsauflockerung und mit Abbruchspalten, grabenartigen Einbrüchen und erdfallartigen Einbrüchen von über 10 m Durchmesser zu rechnen, die im Einzelnen auch abgewandelte Sicherungsmaßnahmen erfordern. Bei den bautechnischen Maßnahmen zum Schutz vor Ereignissen dieser Art werden zwei Arten unterschieden: 44Das Prinzip der Vollsicherung geht davon aus, dass an dem Bauwerk keine Nutzungseinschränkungen auftreten dürfen. Das Tragwerk muss den definierten Erdfall überbrücken, ohne unzulässige Verformungen zu erleiden. Für die Dimensionierung ist dabei auch die Lage eines möglichen Erdfalls (mittig, randlich) entscheidend. Der Nachteil einer Vollsicherung ist, dass ein möglicher Erdfall nicht erkannt wird und keine nachträglichen Verfüllmaßnahmen vorgenommen werden können. Eine zeitverzögerte Ausweitung des Erdfalldurchmessers ist aber oft nicht eingerechnet, wodurch eine Vollsicherung als zeitlich begrenzt anzusehen ist. Eine vollkommene Sicherung ist in vielen Fällen aufgrund der natürlichen Gegebenheiten (Erdfallgröße, Senkungsbetrag) nur mit sehr großem Aufwand möglich. 44Bei Teilsicherungen muss ein Bauwerk zwar stand- und tragsicher bleiben, es werden aber Nutzungseinschränkungen in Kauf genommen. Dabei ist von Fall zu Fall zu entscheiden, welcher Sicherheitsgrad erreicht werden soll. Das Tragwerk überbrückt einen definierten Erdfalldurchmesser für eine begrenzte Zeit, wobei sich aber die Konstruktion verformen kann, ohne zu Bruch zu gehen. Senkungen sind also bis zu einem gewissen Grad und für eine begrenzte Fläche und Überbrückungszeit einkalkuliert. Man kann die verursachende Hohlform lokalisieren und Gegenmaßnahmen einleiten.

Bei den bautechnischen Sicherungsmaßnahmen werden weiter unterschieden: 44Verbesserung des Untergrundes, 44Durchgründung des verkarsteten Horizonts, 44flexible Einbruchschutzkonstruktionen zum Erhalt der Tragfähigkeit, 44starre Schutzkonstruktionen zur Überbrückung von Erdfällen. 19.4.1

Schäden infolge von Schiefstellung oder Längenänderung

In der Bundesrepublik sind viele durch Karst verursachte Schadensfälle auf Schiefstellungen und Längenänderungen zurückzuführen. Großflächige Bodensenkungen sind immer mit einer gewissen Krümmung verbunden, die je nach Situation eine Schiefstellung in Muldenoder Sattellage oder Längenänderungen im Zentimeter- bis Dezimeterbereich zur Folge haben können (7 Abschn. 16.4.4 und 9.2.3.3). In Subrosionssenken sind die Zerrungen und Rissbildungen in Sattellage meist ausgeprägter als bei Bergbaufolgen. Ein Krümmungsradius kann bei Subrosionssenken meist nicht angegeben werden. In Jena musste 2009 ein Doppelhaus geräumt werden, das in einer 20 m breiten und max. 0,5 m tiefen Auslaugungssenke steht (Schmidt und Wunderlich 2011). Beim Lastfall Schiefstellung wird meist ein Schiefstellungsmaß bis 5  % toleriert, darüber ist ein Gebäude reif für den Abbruch (7 Abschn. 6.4.1). In der Kyffhäusergemeinde Bad Frankenhausen hat der auf Gipsuntergrund stehende 56 m hohe Turm der Oberkirche im Laufe der Jahrhunderte bereits eine kritische Auslenkung von 4,40 m erreicht (Lempp und Rey 2009), d. i. die gleiche Schieflage wie beim Turm von Pisa (7 Abschn. 5.4.2). Ein flächiges Anheben von Gebäuden mittels Injektionen wäre zwar im Prinzip möglich, erfordert aber wegen des instabilen Baugrundes einen erheblichen Aufwand und eine gewisse Eigensteifigkeit des Gebäudes (7 Abschn. 17.8.4). Wenn die Senkungen weitergehen, sind solche Maßnahmen meist zwecklos.

781 19.4 · Bautechnische Maßnahmen

19.4.2

Verbesserung des Untergrundes

Eine Sanierung des Untergrundes ist nur in begrenztem Umfang möglich, z. B. im Karbonatkarst, wo Verfüllmaßnahmen oder Betonplomben aufgrund der geringen Lösungsgeschwindigkeit weitgehend als Vollsicherungen betrachtet werden können. Das Auskoffern und die Verfüllung eines Erdfalls mit Kiesmaterial (z. B. 8/16 mm) hat zwar den Vorteil, dass das Verfüllmaterial sich weiteren Nachbewegungen anpassen und beliebig nachgefüllt werden kann, es stellt aber bevorzugte Wasserwege dar, sodass sich die Subrosionsvorgänge verstärken können. Bei Erdfällen, bei denen mit weiteren Nachsackungen zu rechnen ist, sind aber andererseits auch Betonplomben nicht geeignet, da sich bei weiteren Nachbrüchen unter der Plombe, zunächst unbemerkt, weitere Hohlräume entwickeln können und die Plombe zuletzt wegsacken kann. Als untergrundverbessernde Maßnahmen kommen insgesamt folgende Optionen in Betracht: 44Bei den Tunnelbauten der NBS Nürnberg– Ingolstadt wurden beim Vortrieb angefahrene Karbonatkarsthohlräume abgeschottet und mit Magerbeton hinterfüllt (7 Abschn. 17.2.4 und John und Strappler 2003). 44Karsthohlräume unmittelbar unter Gründungssohle können durch Abrammen der Aushubsohle mit einer Fallbirne oder durch Intensivverdichtung (7 Abschn. 7.2) erkannt, dann ausgeräumt und mit Beton oder einem fließfähigen, selbstverdichtenden Verfüllbaustoff (7 Abschn. 7.3.1) verfüllt werden. 44Tiefgründung, bis in einen tragfähigen, nicht verkarsteten Horizont. Bei sackungsfähigen Schichten kann dabei mit der Zeit der Effekt der negativen Mantelreibung auftreten, der bei der Dimensionierung berücksichtigt bzw. durch Maßnahmen zur Verminderung der Mantelreibung eingeschränkt werden muss (7 Abschn. 8.2.5).

19

44Mehrstufiges Verpressen von Hohlräumen

und Auflockerungszonen mit sulfatbeständiger Zementsuspension oder Dämmer (. Abb. 19.23 und Franzius 1988; Heckner et al. 1999; Wagenplast 2005; Otterbein et al. 2014). 44Bei größerer Tiefenlage des Auslaugungshorizonts (>30 m) können auch kontrollierte Hebungsinjektionen in den gründungsnahen Deckschichten vorgesehen werden (Kramer 2000). Häufig wird auch eine Kombination der verschiedenen Sicherungsmaßnahmen angewendet. Wesentlich ist, besonders bei flach liegenden Karstgesteinen, dass Wasser nicht zusätzlich in den Untergrund eingeleitet, sondern im Gegenteil möglichst sicher abgehalten bzw. abgeführt wird. In einigen Fällen von häufigen Erdfallerscheinungen durch seichten Sulfatkarst hat sich eine sichere Neuverlegung der Kanalisation als zweckmäßigste Maßnahme erwiesen (Prinz und Lindstedt 1987). Bei Verkehrswegen muss nötigenfalls die Seitenentwässerung auf einen Betonbalken verlegt werden. 19.4.3

Konstruktive Maßnahmen

In der Bundesrepublik Deutschland gibt es bisher kaum allgemein verbindliche Regeln oder Vorschriften für das Bauen in Erdfallgebieten. Da in Bergsenkungsgebieten z. T. ähnliche Bauwerksbeanspruchungen auftreten, werden häufig die Richtlinien für die Ausführung von Bauten im Einflussbereich des untertägigen Bergbaus herangezogen (Alexiew et al. 2014). Für Bauwerksgründungen wurden in Niedersachsen bereits 1987 in Ergänzung der Bauordnung Grundsätze für die statisch-­ konstruktiven Anforderungen an freistehende Wohngebäude mit nicht mehr als zwei Vollgeschossen erlassen. Darin werden dem jeweiligen Gefährdungsgrad angemessene Sicherungsbauweisen vorgeschrieben. Die Gründung erfolgt auf einem bewehrten Balkenrost oder einer Stahlbetonplatte. Bei Ausführung in Stahlbeton werden die Decken in Längs- und Querrichtung

782

Kapitel 19 · Bauen in Erdfall- und Senkungsgebieten

. Abb. 19.23  Krafthaus Hessigheim am Neckar: Dichtungsschleier und Hohlraumverfüllung zur Vermeidung von Unterströmung und weiteren Setzungen (Firmenprospekt)

19

bewehrt. In den höheren Gefährdungskategorien wird das Kellergeschoss in Stahlbeton ausgeführt (Büchner 1996, 2004). Diese Maßnahmen haben sich bewährt und werden inzwischen in fast allen betroffenen Bundesländern angewandt. Bei industriellen Bauvorhaben sind diese Regeln meist nicht praktikabel. In solchen Fällen ist zu empfehlen, das Tragwerk so auszubilden, dass der Ausfall einer Stütze kurzzeitig überbrückt werden kann. Für die Dimensionierung einer Schutzkonstruktion aus Stahlbeton (Stahlbetonplatte) ist der maßgebende Erdfalldurchmesser anzugeben. In einfachen Fällen werden 2 m, meist aber 3–5 m angenommen. Mit entscheidend sind auch die Lage des Erdfalls im Plattengrundriss und eine etwaige Aufweitung des Erdfalldurchmessers mit der Zeit (7 Abschn. 19.4).

Für den Verkehrswegebau liegen nicht nur einige Richtlinien vor ( 7 Abschn. 19.4), sondern es steht auch eine breitere Palette von Sicherungs- oder Einbruchschutzkonstruktionen zur Verfügung. An Trassen hat es sich als zweckmäßig erwiesen, die Aushubsohlen wegen oft unentdeckter oberflächennaher kleinerer Karsthohlräume abzurammen oder anderweitig dynamisch vorzubelasten. Im oberflächennahen Gipskarst wurden an der ICE-Strecke Erfurt– Leipzig/Halle zur Vorverdichtung und Verbesserung der Aufstandsfläche auch schwere Poligonwalzen eingesetzt (Alexiew et al. 2014 und 7 Abschn. 12.2.2). Hohlräume konnten damit allerdings nur sehr begrenzt „zerstört“ werden. Die häufigsten Einbruchschutzkonstruktionen an Verkehrstrassen sind seit Ende der 1980er-Jahre Geogitter-Verbundkonstruktionen mit meist mehrlagiger Geogitterbe-

783 19.4 · Bautechnische Maßnahmen

wehrung im Oberbau oder an der Dammbasis (. Abb. 16.7). Die Bemessung erfolgt in Anlehnung an die EBGEO-Regeln (7 Abschn. 12.3.4). Als Tragwerksmodell wird entweder reine Membranwirkung oder ein sog. Gewölbemodell angenommen. Mithilfe der Geogitterbewehrung sollen Einbrüche von 3–5 m (meist 4 m) Durchmesser überbrückt und die auftretenden Setzungen an der Fahrbahn über einen gewissen Zeitraum auf ein verträgliches Verformungsmaß von 5 als sehr hoch (Bär et al. 2011). Die sog. thermische Diffusivität oder Temperaturleitfähigkeit α (in m2/s bzw. m2/d) ist ein Maß für die Ausbreitungsgeschwindigkeit bzw. Abschwächung eines Wärmestroms:

α=

20

λ Cv

Die spezifische Entzugsleistung E wird angegeben in W/m nutzbares Untergrundprofil. In .   Tab. 20.1 sind allgemeingültige Werte, bezogen auf die Jahresbetriebsstunden der Wärmepumpe, zusammengestellt. Weitere hydraulische und geotechnische Kennwerte, die bedarfsweise für Berechnungen des geothermischen Potenzials verwendet werden, sind: 44Gesteinsdichte ρ (in g/cm3, t/m3): 7  Abschn. 2.4.3, 44Gesteinsdurchlässigkeitsbeiwert k (in m/s): 7 Abschn. 2.9.2,

. Tab. 20.1  Wärmeleitfähigkeit, volumetrische Wärmekapazität und Entzugsleistung (für 1800 h) häufiger Gesteinsarten bei 20 °C (in Anlehnung an VDI 4640:1) Gesteinsart

Wärmeleitfähigkeit λ [W/(m × K)]

Empfohlener Richtwert

Volumetrische Wärmekapazität Cv [in MJ/(m3 × K)]

„Entzugsleistung“ E [w/m]

Lehm (Schluff, Ton), erdfeucht

0,4–1,0

0,5–0,7

1,5–1,6

10

Lehm (Schluff, Ton), wassergesättigt

1,1–3,1

1,8

2,0–2,8

40–50

Sand, erdfeucht

1,0–1,9

1,4

1,6–2,2

30–50

Sand, wassergesättigt

2,0–3,0

2,4

2,2–2,8

50–60

Kies, wassergesättigt

1,6–2,5

1,8

2,2–2,6

55–70

Sandstein

1,9–4,6

2,8

1,8–2,6

40–70

Ton-/ Schluffstein

1,1–3,4

2,2

2,1–2,4

40–60

Mergelstein

1,8–2,9

2,3

2,2–2,3

40–60

Kalkstein

2,0–3,0

2,7

2,1–2,4

45–65

Tonschiefer

1,5–2,6

2,1

2,2–2,5

40–55

Quarzit

5,0–6,0

5,5

2,1–3,0

65–90

Granit

2,1–4,1

3,2

2,1–3,0

50–70

Gneis

1,9–4,0

2,9

1,8–2,4

60–65

Basalt

1,3–2,3

1,7

2,3–2,6

50–55

Kapitel 20 · Geotechnische Aspekte der Geothermie

792

44Gesteinspermeabilität K (in D oder m2): 7  Abschn. 2.9.2 und 3.4.1.1,

44Gebirgsdurchlässigkeit k (in m/s): 7  Abschn. 2.9.2 und 2.9.4,

44Transmissivität T: 7 Abschn. 2.9.4.1, 44Grundwasserfließgeschwindigkeit (m/d): 7 Abschn. 2.9.6.

20.2

20

Geothermische Verfahren

Bei den geothermischen Verfahren der Erdwärmenutzung wird zunächst zwischen oberflächennahen, vertikalen oder horizontalen Systemen und tiefen hydrothermischen bzw. petrothermischen Systemen unterschieden. Die Abgrenzung der Tiefenstaffelung wird heute bei 400 m und einer Temperatur von 60 °C. Bei den Wassertemperaturen unterscheidet man zwischen niedriger Enthalpie (Wärmeinhalt) und warmem Wasser mit 60–100 °C bzw. heißem Wasser mit >100 °C sowie hoher Enthalpie mit Temperaturen ab 120 °C. Ab dieser Temperatur ist eine unmittelbare, wirtschaftlich vertretbare Stromproduktion möglich. Für die Planung und das Genehmigungsverfahren von Erdwärmesonden (EWS) stehen in einigen Bundesländern Leitfäden oder Merkblätter und auch der VDI-Wärmeatlas (11. Auflage 2013) zur Verfügung. Teilweise liegen auch thematische Spezialkarten zur Beurteilung von potenziellen Standorten für Erdwärmesonden vor. Für tiefe geothermische Anlagen wird besonders auf den GeothermieAtlas und die Broschüre des BMU „Tiefe Geothermie – Nutzungsmöglichkeiten in Deutschland“ verwiesen. Im Geothermie-Atlas werden in mehreren Kartendarstellungen auch die konkurrierenden Nutzungsmöglichkeiten der tiefen Geothermie und der CO2-Speicherung gem. 7 Abschn. 16.3.3 aufgezeigt. Darüber hinaus ist im Internet das Geothermische Informationssystem für Deutschland (GeotIS) verfügbar (www.geotis.de). Es bietet Informationen über

den Untergrundaufbau und die Temperaturverteilung sowie weitere Daten über die wichtigsten Nutzhorizonte im Norddeutschen Becken, im Molassebecken und im Oberrheingraben. Jede dieser Regionen weist charakteristische Merkmale auf, die unterschiedliche Möglichkeiten für die Nutzung der geothermischen Energie bieten, aber auch entsprechende technische Herausforderungen bzw. Risiken beinhalten. Außerdem können Angaben über bestehende und in Bau befindliche geothermische Anlagen abgerufen werden. Die Frage nach der Nutzungsdauer einer geothermischen Anlage, d. h. in welcher Zeit und in welcher Form sich um die Sonde eine Abkühlung einstellt, die den Weiterbetrieb der Anlage begrenzt, lässt sich derzeit nur anhand von noch unzureichenden Erfahrungswerten beantworten (Bär et al. 2011; Stober und Bucher 2012 und 7 Abschn. 20.2.2). Die Gründe für eine solche Begrenzung sind der relativ niedrige Wärmestrom aus dem Erdinnern, die schwer abschätzbare radioaktive Wärmeerzeugung im tieferen Untergrund und die vergleichsweise schlechte Wärmeleitfähigkeit der Gesteine. Durch den Einbau von Messsonden in den Erdwärmebohrungen können die Temperaturverhältnisse im Nahfeld der Sonde kontrolliert und mittels numerischer Simulation deren längerfristige Entwicklung abgeschätzt werden (Albert et al. 2013). Die Ergebnisse sind auch vom Anlagetyp abhängig und werden bei den verschiedenen Systemen angesprochen. 20.2.1  Oberflächennahe

geothermische Systeme

Die Nutzung oberflächennaher geothermischer Energie ist mit Ausnahme gewisser Problemgebiete weitgehend unabhängig von der regionalen geologischen Situation. Für die Planung, den Bau und den Betrieb von Erdwärmenutzungsanlagen liegt eine VDI-Richtlinie 4640 „Thermische Nutzung des Untergrundes“ mit vier Blättern vor: 44Blatt 1: Grundlagen, Genehmigungen, Umweltaspekte (2010, Berichtigung 2011) 44Blatt 2: Erdgekoppelte Wärmepumpenanlagen (2001)

793 20.2 · Geothermische Verfahren

20

. Abb. 20.5  Funktionsprinzip einer Erdwärmepumpe (Firmenprospekt)

44Blatt 3: Unterirdische thermische Energie-

speicher (2001) 44Blatt 4: Direkte Nutzungen

Seit 2015 existiert ein ergänzter Entwurf dieser Richtlinien. Hinzu kommen eine GTV-Richtlinie (2011), ein VBI-Leitfaden Oberflächennahe Geothermie (2012) und die DGGT-Empfehlung Oberflächennahe Geothermie von 2014 (EA Geothermie). Für die Nutzung oberflächennaher Wärmequellen gilt, dass die gewonnene Energie auf einem relativ niedrigen Temperaturniveau anfällt (unter 20 °C) und über eine auf den Heizlastbedarf ausgelegte Wärmepumpe, die auf von außen zugeführte Antriebsenergie (Strom, Gas) angewiesen ist, auf ein höheres nutzbares Temperaturniveau angehoben wird. Das Arbeitsmittel der Wärmepumpe (sog. Kältemittel) ist eine schon bei niedriger Temperatur siedende Flüssigkeit, die in einem Kreislauf verdampft, verdichtet, verflüssigt und wieder entspannt wird. Die Funktion einer Wärmepumpe ist aus .  Abb. 20.5 ersichtlich: 44Im Verdampfer nimmt ein Kältemittel die Wärme auf und wird dabei gasförmig. 44Im Verdichter wird das jetzt gasförmige Kältemittel durch Kompression auf ein höheres Temperaturniveau gebracht. 44Im Verflüssiger wird die Wärmeenergie an den Zweitkreislauf abgegeben. 44Im Expansionsventil wird das Kältemittel entspannt und in den Kreislauf zurückgeführt.

Für die Erschließung der oberflächennahen Erdwärme werden vertikale, horizontale und radial schräg angeordnete Erdwärmesonden (GRD-Verfahren) sowie geschlossene und offene Systeme (mit Grundwasserförderung) unterschieden. 20.2.1.1

Vertikale, geschlossene Systeme

Geschlossene Erdwärmesonden (EWS) werden in ± vertikalen Bohrungen mit Tiefen bis 150 m, selten mehr, eingebaut. Die Sonden bestehen aus dem Sondenfuß (zur Umlenkung) und paarweise gebündelten U-förmigen Kunststoffrohrschleifen aus Rohrmaterial mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit (Stober und Bucher 2012:69) und Durchmessern von 25–32 mm oder alternativ sog. geschlossenen Koaxialsonden mit zwei Rohrschüssen (. Abb. 20.6). Die Doppel-U-Sonden werden vorkonfektioniert und druckgeprüft auf die Baustellen geliefert. Bei den Koaxialsonden werden i. d. R. Rohrstrecken auf die Baustelle geliefert, die am Bohrloch zusammengebaut werden. Die kalte Wärmeträgerflüssigkeit, ein Gemisch aus Wasser und einem Kältemittel, meist Glykol, wird in einem Strang der Kunststoffrohrschleife langsam in die Tiefe geleitet. Dabei erwärmt sich das Fluid und steigt im anderen Strang der U-Schleife wieder nach oben. Nach dem Wärmeentzug (auch Entwärmung genannt), bei dem die zirkulierenden frostschutzhaltigen Fluide teilweise auf –5 °C heruntergekühlt werden, fließt das Trägermedium

794

Kapitel 20 · Geotechnische Aspekte der Geothermie

. Abb. 20.6  Ausführungsvarianten von gebräuchlichen Erdwärmesonden (nach Kaltschmitt et al. 1999)

20

zur erneuten Erwärmung in die Sonde zurück. Die Heizleistung der Wärmepumpe und die Entzugsleistung der Erdwärmesonde sind aufeinander abzustimmen. Die so gewonnene Vorlauftemperatur des Primärkreislaufs ist immer etwas niedriger ist als die eigentliche Untergrundtemperatur. Sie wird durch die Wärmepumpe auf ein Temperaturniveau von 35–55 °C gebracht, das dann im Sekundärkreislauf für Heizung und Warmwasserversorgung zur Verfügung steht. Von Vorteil sind Niedrigtemperatursysteme (Fußbodenoder Wandheizung), die mit einer Vorlauftemperatur von 35 °C auskommen. Außer zum Heizen kann der Untergrund auch für eine geothermische Gebäudeklimatisierung genutzt werden. Er dient dabei als saisonaler Thermospeicher, dem im Winter Energie entzogen und während des Sommers Überschusswärme wieder zugeführt wird. Die Bohrarbeiten für Erdwärmesonden sollten von qualifizierten Bohr- oder Brunnenbauunternehmen mit Bohrgeräteführern durchgeführt werden, die den Erlaubnisschein

für „Bohrungen für geothermale Zwecke und Einbau von geschlossenen Wärmeübertragungssystemen“ haben (s. d. DVGW W 120 und Qualitätspaket des BWP 2011). Außerdem sind die DIN 19 301 „Bohrarbeiten“ (7  Abschn. 3.3.1) und die DVGW-Arbeitsblätter W 115 (Bohrungen im Grundwasser) und W 116 (Spülungszusätze) zu beachten. Die angetroffene Schichtenfolge sowie die Wasserstände und Spülungsverluste sind zu dokumentieren. Spülungsverluste von >2 l/s sind unverzüglich der Unteren Wasserbehörde mitzuteilen. Die Bohrausrüstung einschließlich der Verrohrung sind den zu erwartenden Untergrundverhältnissen anzupassen (7 Abschn. 20.3.2). Bezüglich der Beherrschung ungewöhnlicher hydraulischer Gradienten wird auf 7 Abschn. 4.6 und 7 Abschn. 20.3.3 verwiesen. Die Bohrdurchmesser betragen 150–180 mm. Der verbleibende Hohlraum zwischen den Sondenbündeln wird mit einer gut wärmeleitenden Bentonit-Hochofenzement-Sand-Suspension im Kontraktorverfahren von unten nach oben verfüllt. Die Breite des Ringraums soll mindestens 30 mm

795 20.2 · Geothermische Verfahren

betragen (Bohrdurchmesser >Sondenbündel + 60 mm) bzw. die Bentonit-Zement-Masse mindestens 65 % des Bohrlochquerschnitts einnehmen. Das System aus glattwandigen Rohrleitungen und dem Bohrlochverpressmaterial muss möglichst dicht sein, damit sich keine Wasserwegigkeiten entlang des Bohrlochs einstellen können. Von Vorteil ist ein sog. thermisch verbessertes Verfüllmaterial, um den Temperaturverlust beim Übergang der Wärme aus dem Untergrund auf das Wärmeträgermedium gering zu halten. Auf dem Markt ist auch ein innovatives Rohr- und Verfüllmaterial, das eine hydraulische Systemdichtheit garantieren soll (s. geotechnik 37:2, A22). Alternativ dazu werden auch Erdwärmesonden mit durchlässiger Ringraumverfüllung (Filterkies) gebaut, bei denen das fließende Grundwasser in direktem Kontakt mit der Sonde steht. Der Platzverbrauch ist bei vertikalen Erdwärmesonden gering. Eingesetzt werden ein oder zwei Sonden für Ein- und Zweifamilienhäuser und Mehrsondensysteme zur Versorgung von größeren Gebäuden oder Wohnanlagen. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Sonden ist in den verschiedenen Ländervorschriften geregelt. Er soll bei Sonden mit einer Leistung 60 °C) bzw. heißer (>100 °C) Tiefenwässer ist dagegen außer der Temperaturzunahme mit der Tiefe

besonders die Leistungsfähigkeit des zur Verfügung stehenden Aquifers entscheidend. Bevorzugte Gebiete für die Nutzung der hydrothermalen Erdwärme sind daher Teile des norddeutschen Beckens, wo einige thermalwasserführende, allerdings salzhaltige Porenspeicher bekannt sind (s. Poppei und Fischer 1997), das süddeutsche Molassebecken und der Oberrheingraben. Bei den hydrothermalen Systemen handelt es sich um geschlossene oder um offene Systeme mit direkter Verwendung des heißen Wassers bzw. Wasserdampfs. Die Leistung einer offenen Anlage steigt proportional mit dem Produkt aus Förderrate und Temperatur des Formationswassers. Allgemein wird bei einer verträglichen Absenkung eine Mindestförderrate von 50 l/s vorausgesetzt. Bei den offenen Systemen sind jeweils mindestens zwei Bohrungen (sog. Dubletten) erforderlich, wobei in einer Bohrung das heiße Wasser gefördert und in der Reinjektionsbohrung das auf etwa 20–30 °C abgekühlte Wasser wieder dem Kreislauf in der Tiefe zugeführt wird. Dabei müssen die Bohrlochenden einen ausreichend großen Abstand voneinander haben, damit sich das rückgeführte Wasser genügend aufheizen kann. Die Nutzung heißer Wässer für Heizzwecke mittels Dubletten gilt heute als ausgereiftes System. Die älteste Dublettenanlage in Europa in der Nähe von Paris ist seit über 40 Jahren in Betrieb und hat in dieser Zeit keine Temperaturerniedrigung an der Förderbohrung gezeigt. Aus Platzgründen und um entsprechend durchlässige Gebirgsabschnitte zu erreichen, werden hydrothermale Geothermiebohrungen in der Tiefe meist abgelenkt (Differenz Bohrtiefe und Bohrlänge). Bei abgelenkten Bohrungen erhöht sich die Wahrscheinlichkeit, im Fels mehrere nebeneinander liegende Kluftsysteme zu erschließen. Falls damit die erforderliche Ergiebigkeit nicht erreicht wird, kann die Gebirgsdurchlässigkeit durch Stimulationsverfahren wie Drucksäuerung verbessert werden. In Karbonatgesteinen ist dies ein erprobtes Verfahren. Auch in Sandsteinaquiferen wird damit eine Verbesserung der Durchlässigkeit durch Anlösen von mit Kalzit belegten Klüften

801 20.2 · Geothermische Verfahren

erreicht. Der optimale Bohrlochabstand im Nutzhorizont (Größenordnung häufig 1000 m) kann anhand geometrischer und thermischhydraulischer Gebirgsmodelle mithilfe numerischer Rechenmodelle ermittelt werden. Zu beachten sind ferner der Wasserchemismus und eine etwaige Gasführung, die eine thermische Nutzung offener Systeme erschweren. Im Westteil des norddeutschen Beckens sind außerdem die zahlreichen Salzstöcke (7  Abschn. 3.5.4.3) und eine mögliche Änderung des Temperaturfeldes in ihrem Bereich zu berücksichtigen. Über die Nutzung tektonischer Störungszonen selbst liegen bis jetzt erst wenige Erfahrungen vor. Die Störungstypen sind in 7 Abschn. 3.4.4 beschrieben. Angaben über ihre Wasserwegsamkeit s. 7 Abschn. 17.2.5.2. Die Probleme bestehen meist darin, dass die Bohrlöcher in Störungsgesteinen i. d. R. nicht standfest sind. Außerdem können über steilstehende Störungszonen verschiedene Grundwasserleiter unterschiedlicher Tiefe miteinander verbunden sein. Das Tiefengrundwasser in Störungszonen ist außerdem häufig hoch mineralisiert und gasführend. Im Ostteil des norddeutschen Beckens sind die schon in den 1980er-Jahren eingerichteten geothermischen Heizzentralen (GHZ) Waren, Neubrandenburg und Neustadt-Glewe zu nennen, die auf die Sandsteinkomplexe von Rhät und Lias ausgelegt sind. Die GHZ Waren ist bereits 1984 als erste Anlage dieser Art in Deutschland in Betrieb gegangen. 1988 folgte die GHZ Neubrandenburg (2003). Einige dieser Anlagen sind mithilfe der mit Temperaturen ab 80 °C auskommenden neuen Kraftwerkstechnologien (Flash-, ORC- oder Rankine-Prozess) zwischenzeitig auf Stromerzeugung nachgerüstet worden (Neubrandenburg, Neustadt-Glewe). Im Verbreitungsgebiet der süddeutschen Molasse, einer keilförmig nach Süden bis auf 4000 m zunehmenden tertiärzeitlichen Beckenfüllung nördlich der Alpen, liegen mehrere thermale Grundwasserstockwerke vor, die Meeresmolasse, der Mittel- und Oberjura, der Obere Muschelkalk und der Sandsteinkeuper. Für eine energetische Nutzung kommen in erster

20

Linie die stärker verkarsteten dolomitischen Abschnitte des Oberjuras (ehem. Malm) in Betracht. Hier sind zwischenzeitig über 20 Anlagen in Betrieb oder in Bau, von denen allerdings die meisten der Wärmegewinnung und nur vier der Stromerzeugung dienen. Von diesen geothermischen Anlagen in der Molassezone sollen hier nur genannt werden: 44das Geothermieheizwerk Erding mit zwei Bohrungen >2000 m in Kalksteinen des Oberjuras, 44das Wärmeprojekt Garching mit zwei Bohrungen von 2165 und 2450 m Tiefe (Daldrup und Klapperich 2009), 44die Geothermieanlage Unterföhring, die in 2300 m Tiefe ein Wasser mit 93 °C und einer Ergiebigkeit von 85–100 l/s erschlossen hat (s. geotechnik 37:2, A22) sowie 44das Geothermiekraftwerk Unterhaching mit einer Bohrtiefe von 3350 m, einer Wassertemperatur von 122 °C und einer Ergiebigkeit von 150 l/s. Der Vorteil der Region Molassebecken ist, dass in den verkarsteten Jurakalksteinen das Formationswasser auch in über 2000 m Tiefe noch annähernd Trinkwasserqualität und damit kaum ein Korrosionspotenzial bzw. Verockerungsgefahr aufweist. Wegen des günstigen hydrothermalen Potenzials im südlichen Molassebecken ist dieses auch bereits weitestgehend mit Erdwärme-Konzessionsgebieten abgedeckt. Der Oberrheingraben ist aufgr und der günstigen geothermischen Gradienten (7  Abschn. 20.1.1) ebenfalls ein bevorzugter Standort für geothermische Projekte. Das Gebiet weist allerdings eine sehr heterogene Geologie auf, mit verstärkter Gefahr induzierter Seismizität (7 Abschn. 4.2.3.2) sowie meist stark mineralisierter und z. T. gasführender Thermalwässer, teilweise auch mit natürlichen Radionukliden (Mergner et al. 2012). Im Oberrheingraben kommen zwei Formationen zur Nutzung in Betracht: Sedimentgesteine (Rotliegendgesteine, Buntsandstein, Oberer Muschelkalk; im S auch der Hauptrogenstein des Mitteljuras) und das Grundgebirge (. Abb. 20.7). Im ersteren Stockwerk werden meist hydrothermale Tiefenwässer genutzt. Stober und Jodocy (2009) haben eine

802

Kapitel 20 · Geotechnische Aspekte der Geothermie

umfassende Auswertung der Gebirgsdurchlässigkeit der Nutzhorizonte im südlichen Oberrheingraben zusammengestellt ( . Tab. 20.4). Vom Granit liegen aus dem Grabenbereich keine auswertbaren Daten vor. Die angegebenen Werte stammen aus dem Schwarzwald und seinen Randbereichen. Das Grundgebirge im Oberrheingraben gilt allgemein als Standort für die Nutzung heißer trockener Gesteinsformationen. In Bruchsal, am Ostrand des Grabens, wird seit 2009 im Dublettenbetrieb Heißwasser (114 bzw. 134 °C) aus stark geklüfteten Buntsandsteinschichten in 1800–2500 m Tiefe zur Stromerzeugung genutzt. Das Tiefenwasser hier ist allerdings gasreich (CO2), weist einen Gesamtlösungsinhalt von 127 g/l auf (Na und Cl) und muss auch über Tage unter hohem Druck gehalten werden (Stober und Bucher 2012:157). Auch in Landau war in den letzten 10 Jahren ein hydrothermales Geothermiekraftwerk in Betrieb (7  Abschn. 20.3.1). Ein zweites solches Kraftwerk bei Insheim läuft seit 2012 mehr oder weniger im Regelbetrieb (7  Abschn. 4.2.3.1). Auf der Grundlage eines 3D-Modells der geothermischen Potenziale im nördlichen Oberrheingraben (Bär et al. 2011) sind hier weitere Projekte in Planung. Bei Trebur (Kreis GroßGerau) musste 2016 allerdings eine 3700 m tiefe Bohrung bis in das Rotliegende wegen zu geringer Leistung aufgegeben werden (nur 5 l/s statt der erwarteten 70 l/s). Ein interessantes Untersuchungsgebiet ist auch das Pannonische Becken, d. h. das

Donaugebiet in Österreich und Ungarn einschließlich Teilen Serbiens und Kroatiens, mit zahlreichen Thermalquellen (s. geotechnik 2014/4). 20.2.2.3

Trockene petrothermale Systeme

Unter trockenen Systemen werden Gebirgsbereiche verstanden, in denen nicht genügend Grundwasser zirkuliert, um eine hydrothermische Nutzung über längere Zeit zu gewährleisten. Die Energiegewinnung erfolgt über ein Sondenrohr mit Wärmeträgerflüssigkeit aus dem Gestein selbst. Das die Erdwärmesonde im geschlossenen Kreislauf arbeitet, erfolgt kein Eingriff in das Grundwasserregime. Um die hydraulische Durchlässigkeit des Gebirges zu verbessern, werden Stimulationsverfahren eingesetzt (Hydraulic Fracturing, chemische Säurestimulation). Trockene petrothermale Systeme werden fast ausschließlich zur Stromerzeugung mit Wasserdampfturbinen genutzt. Dafür werden Ausgangstemperaturen von 150 °C und mehr benötigt, sodass derartige Projekte bevorzugt in Gebieten erhöhter geothermischer Tiefenstufe geplant werden. Zur Stimulation der Gebirgsdurchlässigkeit wird i. d. R. das Hot-Dry-Rock-Verfahren (HDR), auch Enhanced Geothermal System (EGS genannt, eingesetzt. In den letzten Jahren wird der Begriff EGS bevorzugt, da das Gebirge in diesen Tiefen zwar eine sehr geringe Durchlässigkeit aufweist, aber nicht „trocken“ ist. Im

. Tab. 20.4  Normierte Durchlässigkeitsbeiwerte für verschiedene Gebirgsarten des südlichen Oberrheingrabens (aus Stober und Jodocy 2009)

20

Aquifer/Gestein

Mittelwert (m/s)

Standardabweichung (m/s)

Hauptrogenstein (Offenburg)

1,4 × 10−8

2,4 × 10−9 bis 8,5 × 10−8

Hauptrogenstein (südl. Freiburg)

1,8 × 10−6

8,6 × 10−8 bis 3,7 × 10−5

Oberer Muschelkalk

2,0 × 10−6

2,4 × 10−7 bis 1,6 × 10−5

Buntsandstein

2,4 × 10−7

4,0 × 10−9 bis 1,5 × 10−5

kristallines Grundgebirge

2,1 × 10−7

1,7 × 10−8 bis 2,7 × 10−6

– granitische Gebirge

9,6 × 10−7

– metamorphe Gebirge

5,0 × 10−8

803 20.3 · Potenzielle Risiken bei geothermischen Anlagen

Zielhorizont wird unter hohem Druck Wasser in das Gebirge eingepresst (sog. Wasserfracktechnik, 7 Abschn. 16.5.2), wodurch unter Ausnutzung der natürlichen Klüftung Risssysteme hydraulisch aufgesprengt werden und sich neue Risse bilden. Stärker gestörte Gebirgsabschnitte sollten dabei gemieden werden. Der Erfolg einer hydraulischen Stimulationsmaßnahme ist abhängig vom Injektionsdruck (mehrere 100 bar), von der Injektionsmenge und -rate sowie vom Gebirge und von der Gebirgstemperatur (möglichst >150 °C). Die Wasserverluste sollten dabei möglichst gering bleiben (100 m um das Bohrloch Bodensenkungen von einigen Dezimetern verursachten. 3. Ein weiteres bohrtechnisches Problem stellen nicht geflutete (alte) Grubenbaue dar. Im Jahr 2009 wurde in Kamen/NRW eine 90-m-Erdwärmebohrung für ein Einfamilienhaus niedergebracht. Bei einer

Bohrtiefe von 70 m brach wenige Stunden nach Feierabend um das Bohrloch ein Krater von 50–60 m3 ein, und es bildete sich ein schmaler, über 200–300 m erstreckender Senkungsbereich mit Setzmaßen von bis >10 cm aus (Wrede et al. 2010). Die Ursache waren verkarstete Plänerkalksteine ab 67 m Tiefe sowie nahegelegene Grubenbaue im liegenden Karbon, deren Wasserhaltung unbekannterweise das Plänerkalkstockwerk, in dem im natürlichen Zustand gespannte Druckverhältnisse geherrscht haben, entwässert hat. 4. Mit Anbohren der Plänerkalke flossen durch das offene Bohrloch unter Mitnahme erheblicher Sedimentmassen große Mengen Grundwasser aus den oberen Stockwerken in das verkarstete und infolge der Wasserhaltung nicht wassererfüllte tiefe Grundwasserstockwerk ab. Begünstigt wurde die Situation durch hydraulisch weitreichende Störungs- und Kluftsysteme

808

Kapitel 20 · Geotechnische Aspekte der Geothermie

in den Plänerkalken, was auch der Grund für die asymmetrische Ausbildung der Senkungszone gewesen sein dürfte (7 Abschn. 3.4.5). 5. Um weiteren unkontrollierten Wasserablauf aus dem Quartärstockwerk zu unterbinden, musste die hydraulische Abtrennung des unteren Grundwasserstockwerks mit großem Aufwand an Verpressbohrungen wiederhergestellt werden (Wrede et al. 2010).

20.3.3 

20

Anlagenbedingtes Risiko

Das anlagentechnische Risiko betrifft in erster Linie die teilweise deutlich geringer als erwartet ausfallenden Entzugsleistungen, aber auch die speziellen Gefährdungen, die von den hohen Temperaturen und Drücken sowie der Korrosion durch salzhaltiges Tiefenwasser ausgehen. Dazu kommen mögliche Gefährdungen durch gelöste Gase (CO2, CH4, H2S; 7 Abschn. 17.2.6) oder Radionukleide im Grundwasser bzw. im Restschlamm. Infolge von Druckentspannung, Sauerstoffeintrag und Abkühlung kann es zu mineralischen Ausfällungen kommen. Dies betrifft z. B. auch Grundwasser mit hohen Salzgehalten. Bei Abkühlung bleibt weniger Salz in Lösung und kristallisiert auf dem Weg nach oben z. T. bereits im Rohrsystem aus. Diese Ausfällreaktionen betreffen sowohl die Förderung und die oberirdischen Betriebsanlagen als auch die Reinjektion in das Speichergestein (7 Abschn. 11.6). Um Ausfällungen und Verockerungen zu minimieren, muss das geschlossene Kreislaufsystem unter entsprechendem Druck gehalten werden. Ein weiteres Risikopotenzial betrifft die Bohrlochverfüllung. Diese soll einen schlüssigen Kontakt zum umgebenden Gebirge gewährleisten und verhindern, dass sich Grundwasserstockwerke vermischen. Die Verfüllsuspension muss außerdem für die jeweilige Einsatztemperatur geeignet sein. Bei zyklischen Wärmepumpenschaltungen für Heiz- und Kühlzwecke bedeutet dies, dass die eingesetzten Baustoffe

ggf. frost-/taubeständig sein müssen (Herrmann 2007). Ein zusätzlicher Gefahrenpunkt sind betonaggressive Wässer gem. 7  Abschn. 10.5, die zementgebundene Bohrlochverfüllungen zersetzen und damit nachträglich Undichtigkeiten am System bewirken können (Müller 2007). Im Geothermiekraftwerk Landau (7 Abschn. 20.3.1) traten z. B. im Frühjahr 2014 Leckagen an der Verrohrung auf, die zu Hebungen in der Umgebung und zu Gebäudeschäden geführt haben, sodass das Kraftwerk zwischenzeitlich stillgelegt werden musste. 20.4

Bergrechtliche und wasserrechtliche Grundlagen

Die allgemeine Rechtslage für die Nutzung des tiefen Untergrundes ist zu Beginn von 7  Kap. 16 dargelegt. Die wesentlichen Rechtsgrundlagen für den Bau und Betrieb von Erdwärmeanlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) in Verbindung mit den jeweiligen Landeswassergesetzen, das Bundesberggesetz (BBergG) und das Lagerstättengesetz (LagerstG) (7 Abschn. 4.4.1). Die Genehmigungspraxis für Geothermiebohrungen kann in den einzelnen Bundesländern variieren. Allgemein gilt, dass Erdwärmekollektoren der Unteren Wasserbehörde nur angezeigt werden müssen. Bohrungen für Erdwärmesonden sind dagegen immer genehmigungspflichtig. Bei Bohrtiefen bis 100 m ist dafür die Untere Wasserbehörde zuständig; Bohrtiefen über 100 m bedürfen grundsätzlich einer bergrechtlichen Genehmigung. Für die entsprechenden Anträge ist der Grundstückseigner verantwortlich. Die Beantragung übernimmt i. d. R. das beauftragte Fachunternehmen. 20.4.1 

Bergrecht, Lagerstättenrecht

Nach § 3 BBergG wird die Erdwärme den bergfreien Bodenschätzen gleichgestellt. „Bergfrei“ bedeutet, dass sich das Eigentum an einem Grundstück nicht auf evtl. im Untergrund dieses Grundstücks befindliche Bodenschätze

809 20.4 · Bergrechtliche und wasserrechtliche Grundlagen

erstreckt. Damit gehört Erdwärme nicht zum Eigentum des Grundbesitzers, sondern der Allgemeinheit (dem Staat) und unterliegt dem Bergrecht. Wer in einem bestimmten Gebiet einen bergfreien Bodenschatz erkunden will, benötigt dafür eine bergrechtliche Erlaubnis; wer diesen Bodenschatz gewinnen will, braucht eine bergrechtliche Bewilligung und wird damit juristisch zu einem Bergwerksbetreiber, wobei allerdings die Bergschadenshaftung bei Geothermiebohrungen i. d. R. keine Anwendung findet (Müggenborg 2010). Ausgenommen von diesem Bewilligungsverfahren sind in den meisten Bundesländern oberflächennahe Erdwärmeprojekte, wenn diese auf dem eigenen Grundstück liegen, im Zusammenhang mit dessen baulicher Nutzung stehen und keine gewerbliche Verwendung der Energie über die Grundstücksgrenze hinaus erfolgt. Für diese Vorhaben besteht nur eine Anzeigepflicht nach § 49 WHG und nach § 4 LagerstG. Soweit der Geologische Dienst des jeweiligen Bundeslandes es verlangt, müssen nach Abschluss der Bohrarbeiten die Schichtenverzeichnisse eingereicht werden. Bei Erdwärmeprojekten mit Bohrungen von mehr als 100 m Tiefe und bei grundstücksübergreifender Erdwärmeerschließung ist in jedem Fall ein bergrechtliches Verfahren durchzuführen. Die Erlaubnis bzw. das Erlaubnisfeld für die Aufsuchung von Erdwärme sollte nicht zu knapp bemessen werden. Auch die Ausdehnung des späteren Bewilligungsfeldes, aus dem die Energie gewonnen wird, hängt sehr von der geologischen und hydrogeologischen Situation und damit von den Ergebnissen der Erkundung ab. Die Bohrarbeiten sind nach § 127 BBergG außerdem mindestens 2 Wochen vor Beginn der Arbeiten der zuständigen Bergbehörde anzuzeigen. 20.4.2 

Wasserrecht

Grundsätzlich stellt das Niederbringen einer Bohrung, soweit die Arbeiten grundwasserneutral ablaufen, keine Gewässerbenutzung dar und bedarf daher im Prinzip keiner

20

wasserrechtlichen Erlaubnis oder Bewilligung. Dies gilt in einigen Bundesländern auch

für privat genutzte grundstücksbezogene Erdwärmesonden (EWS), bei denen Grundwasser weder entnommen noch eingeleitet wird und der Wärmeentzug i. d. R. nur in einem begrenzten, unerheblichen Ausmaß stattfindet. Die Frage nach einer Gewässerbenutzung nach dem Wasserhaushaltsgesetz (WHG, 7 Abschn. 4.4.1) wird jedoch in den Bundesländern unterschiedlich gehandhabt (s. Bitzer und Storz 2008). Einige Länder gehen davon aus, dass allein das Anbohren des Grundwassers sowie besonders eine Abkühlung oder Aufwärmung eine Veränderung seiner physikalischen Eigenschaften darstellt und einer Erlaubnis oder Bewilligung bedarf. Unabhängig davon besteht in den meisten Bundesländern für Erdwärmesonden und auch Erdwärmekollektoren eine Anzeigepflicht, und zwar mindestens einen Monat vor Beginn der Arbeiten. Bei einer solchen Anzeige sind i. d. R. bereits Angaben über die Lage des Projekts, die Bohrtechnik und die verwendeten Materialien sowie z. T. über die zu erwartende Schichtenfolge und die Grundwasserverhältnisse zu machen. Letztere Angaben können den in 7  Abschn. 20.1 genannten Unterlagen oder geologischen Karten entnommen bzw. nach Erfahrungen aus benachbarten Bohrungen benannt werden. Im Rahmen des Anzeigeverfahrens (oder einer Voranfrage) kann auch entschieden werden, ob etwa aufgrund der örtlichen hydrogeologischen Situation eine weitergehende Erlaubnispflicht besteht (s. einschlägige Merkblätter oder Leitfäden). Eine echte Gewässerbenutzung und Erlaubnispflicht liegt vor, wenn Grundwasser zu Zwecken der Wärmegewinnung gefördert und das abgekühlte Wasser wieder in das Grundwasser eingeleitet wird. Dasselbe gilt auch für Erdwärmebohrungen, bei denen ein oder mehrere Grundwasserleiter durchteuft werden, oder wenn gespanntes Grundwasser zu erwarten ist. In Trinkwasser- und Heilquellenschutzgebieten sind sowohl die hydrogeologischen Verhältnisse als auch vor allen Dingen die Schutzgebietsbestimmungen zu beachten

810

20

Kapitel 20 · Geotechnische Aspekte der Geothermie

(7  Abschn. 4.4.1). In den Schutzzonen I und II sowie in den engeren Zustrombereichen von Mineralwasserbrunnen ist der Bau von Erdwärmesonden grundsätzlich nicht zulässig. In den Schutzzonen III, IIIA und IIIB und im weiteren Zustrombereich von Mineralwasserbrunnen können Erdwärmeanlagen im Einzelfall zugelassen werden, wenn die Erdwärmesonde in einem Geringleiter steht bzw. eine eindeutige hydraulische Trennung der verschiedenen Stockwerke gewährleistet ist (s. DVGW-Arbeitsblatt W 101 und Reinhardt 2009) und die Temperaturbeeinflussung in Richtung der Grundwasserströmung begrenzt bleibt. Als Wärmeträgerflüssigkeit ist Glykol in Schutzzonen meist nicht zulässig, sondern nur Wasser oder anorganische salzhaltige Lösungen wie Kalzium- bzw. Natriumchlorid. Eine solche Kühlsole erfordert entsprechend mehr Bohrmeter, um dem Untergrund genügend Wärme zu entziehen Auch bei sonstigen Gewinnungsanlagen ohne Schutzgebiete (z. B. Hausbrunnen oder Quellen, aber auch nicht anerkannte Mineralwasserbrunnen) und Vorranggebieten für die Trinkwassergewinnung ist die hydrogeologische Situation entsprechend zu prüfen und zu entscheiden, ob die Erteilung einer Erlaubnis möglich ist und ggf. unter welchen Auflagen. Für die Beurteilung, ob die Errichtung einer geothermischen Anlage nach dem Wasserrecht zulässig und welches Genehmigungsverfahren durchzuführen ist, sind in erster Linie hydrogeologische Kriterien maßgebend. Zu den hydrogeologisch günstigen Gebieten, in denen i. d. R. keine wasserrechtliche Erlaubnispflicht besteht, zählen Gebiete mit schlechter bis mittlerer Gebirgsdurchlässigkeit ohne ausgeprägte Stockwerksbildung. Solche Gebiete sind z. B. kristalline Grundgebirge und paläozoische Gesteine. Für Verbreitungsgebiete mit Gesteinen des Buntsandsteins, des Mittel- und Unterjuras, des Tertiärs und gebietsweise auch mächtiger fluvioglazialer Kiese und Sande gilt dies nur für Bohrungen bis zu einer bestimmten Tiefe. Bei möglicher Stockwerksbildung und besonders bei Verdacht auf gespannte Grundwasserleiter ist auch hier eine Einzelfallprüfung erforderlich.

Zu den eingeschränkt günstigen bis problematischen Gebieten, in denen im Rahmen

des wasserrechtlichen Verfahrens mit besonderen Auflagen zu rechnen ist, zählen auch Kalkstein- und dickbankige Sandsteinformationen, die i. d. R. stärkere Klüftung und entsprechende Wasserwegigkeit aufweisen. Als hydrogeologisch sensible Gebiete, in denen die örtlichen Untergrundverhältnisse im Einzelfall sorgfältig zu prüfen sind, gelten: 44Karstgrundwasserleiter und andere Aquifere mit sehr hoher Gebirgsdurchlässigkeit, 44Gebirge mit Auslaugungshorizonten, 44Gebirge mit zum Ausfließen neigenden Schichten (Fließsand 7 Abschn. 11.2), 44Gebiete mit weiträumig wirksamen getrennten Grundwasserstockwerken, 44Gebiete mit artesisch oder subartesisch gespannten Grundwasserleitern 44Gebiete mit quellfähigen Gesteinen (Anhydrit) im Untergrund, 44Gebiete mit hoch liegenden Salzstrukturen gem. 7 Abschn. 3.5.4.3, 44Bergbaugebiete, auch Altbergbau und Gebiete im Einflussbereich bergbaulicher Wasserhaltung, 44Gebiete mit Verdacht auf Bodengasaustritte (bes. CO2 oder Methan, 7 Abschn. 4.3.3 und 16.5) oder natürliche Radionuklide, 44Gebiete mit schädlichen Boden- und Grundwasserveränderungen sowie Altlasten 44Rutschungsgebiete, 44Regionen natürlicher Seismizität. Durchaus übliche Auflagen sind heute: 44ständige Aufsicht und Kontrolle der

Bohrarbeiten sowie Aufnahme des Bohrgutes und Erstellen von Schichtenverzeichnissen durch einen mit der regionalen Geologie vertrauten Geologen, 44Verrohrung und zuverlässige Absperrvorrichtung zum Beherrschen von artesisch gespanntem Grundwasser, 44Vorhalten eines Gasmessgeräts zur Kontrolle möglicher Gasaustritte bei den Bohrarbeiten (CO2, H2S, CH4, 7  Abschn. 17.2.6).

811

Serviceteil Anhang – 812 Literatur – 832 Stichwortverzeichnis – 880

© Springer-Verlag GmbH Deutschland, ein Teil von Springer Nature 2018 H. Prinz, R. Strauß, Ingenieurgeologie, https://doi.org/10.1007/978-3-662-54710-6

812

Anhang Nachstehend sind die wichtigsten einschlägigen Normen einschließlich vorliegender Normenentwürfe (E) sowie Vornormen (V) zusammengestellt. Einige Normen wurden zurückgezogen (Z) Für die Vollständigkeit 1

der Angaben kann keine Gewähr übernommen werden, s. 7 Abschn. 1.2. Eine Mitteilung über die Überarbeitung von Normen erfolgt in der Zeitschrift „geotechnik“ (jeweils Ausgabe Nr.  2).

Fassung Deutsche europäischer Normen

Norm

Ausgabe

Status

DIN EN 932-1

1996

Prüfverfahren für allgemeine Eigenschaften von Gesteinkörnungen – Teil 1: Probenahmeverfahren

DIN EN 932-2

1999

Teil 2: Verfahren zum Einengen von Laboratoriumsproben

DIN EN 932-3

2003

Teil 3: Durchführung und Terminologie einer vereinfachten petrographischen Beschreibung

DIN EN 933-1

2012

Prüfverfahren für geometrische Eigenschaften von Gesteinskörnungen – Teil 1: Bestimmung der Korngrößenverteilung; Siebverfahren

DIN EN 933-2

1996

Teil 2: Bestimmung der Korngrößenverteilung; Analysensiebe, Nennmaße der Sieböffnungen

DIN EN 933-3

2012

Teil 3: Bestimmung der Kornform; Plattigkeitskennzahl

DIN EN 933-4

2015

Teil 4: Bestimmung der Kornform; Kornformkennzahl

DIN EN 933-5

2005

Teil 5: Bestimmung des Anteils an gebrochenen Körnern in groben Gesteinskörnungen

DIN EN 1097-1

2011

Prüfverfahren für mechanische und physikalische Eigenschaften von Gesteinskörnungen – Teil 1: Bestimmung des Widerstandes gegen Verschleiß (Micro-Deval)

DIN EN 1097-2

2016

DIN EN 1097-5

2008

Teil 5: Bestimmung des Wassergehaltes durch Ofentrocknung

DIN EN 1097-5 Berichtigung 1

2008

Teil 5: Bestimmung des Wassergehaltes durch Ofentrocknung; Berichtigung zu DIN EN 1097-5:2008-06

DIN EN 1097-6

2013

Prüfverfahren für mechanische und physikalische Eigenschaften von Gesteinskörnungen – Teil 6: Bestimmung der Rohdichte und der Wasseraufnahme

DIN EN 1097-10

2002

Teil 10: Bestimmung der Wassersaughöhe

DIN EN 1367-1

2000

Prüfverfahren für thermische Eigenschaften und Verwitterungsbeständigkeit von Gesteinskörnungen – Teil 1: Bestimmung des Widerstandes gegen Frost-Tau-Wechsel

E

Titel

Teil 2: Verfahren zur Bestimmung des Widerstandes gegen Zertrümmerung

813 Anhang

Norm

Ausgabe

Status

DIN EN 1367-3

2001

Teil 3: Kochversuch für Sonnenbrand-Basalt; Berichtigung 1:2004

DIN EN 1536

2015

Ausführung von Arbeiten im Spezialtiefbau – Bohrpfähle

DIN EN 1537

2014

Ausführung von Arbeiten im Spezialtiefbau – Verpressanker; dazu Anwendungsdokument DIN SPEC 18537, E 2016

DIN EN 1538

2015

Ausführung von Arbeiten im Spezialtiefbau – Schlitzwände

DIN EN 1918-1

1998

Gasversorgungssysteme – Untertagespeicherung von Gas – Teil 1: Funktionale Empfehlungen für die Speicherung in Aquiferen

DIN EN 1925

1999

Prüfverfahren für Naturstein – Bestimmung des Wasseraufnahmekoeffizienten infolge Kapillarwirkung

DIN EN 1926

1999

Prüfverfahren für Naturstein – Bestimmung der Druckfestigkeit

DIN EN 1936

1999

Prüfverfahren für Naturstein – Bestimmung der Reindichte, der Rohdichte, der offenen Porosität und der Gesamtporosität

EN 1990

2002

Eurocode; Grundlagen der Tragwerksplanung

DIN EN 1990/A1

2006

Nationaler Anhang zu EN 1990

EN 1991

2002

Eurocode 1; Einwirkungen auf Tragwerke

DIN EN 1991-1-1

2010

Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke – Teil 1-1: Allgemeine Einwirkungen auf Tragwerke – Wichten, Eigengewicht und Nutzlasten im Hochbau; Deutsche Fassung EN 1991-1-1:2002 + AC:2009

DIN EN 1991-1-1/NA

2010

Nationaler Anhang – National festgelegter Parameter – Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke – Teil 1-1: Allgemeine Einwirkungen auf Tragwerke – Wichten, Eigengewicht und Nutzlasten im Hochbau

DIN EN 1997-1

2014

Eurocode 7 – Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik – Teil 1: Allgemeine Regeln

DIN EN 1997-1/NA

2009

DIN EN 1997-2

2010

DIN EN 1997-2/NA

2010

DIN EN 1998-1

2010

Eurocode 8 – Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben – Teil 1: Grundlagen; Erdbebeneinwirkungen und Regeln für Hochbauten (s. d. 7 Abschn. 4.2.3)

DIN EN 1998-1/A1

2013

Eurocode 8: Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben – Teil 1: Grundlagen, Erdbebeneinwirkungen und Regeln für Hochbauten

DIN EN ISO 12056

2005

Geotextilien und geotextilverwandte Produkte – Bestimmung der charakteristischen Öffnungsweite

DIN EN 12063

1999

E

Titel

Nationaler Anhang zu EC 7,Teil 1: Allgemeine Regeln Eurocode 7 – Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik – Teil 2: Erkundung und Untersuchung des Baugrunds

E

E

Nationaler Anhang – National festgelegte Parameter zu EC 7, Teil 2: Erkundung und Untersuchung des Baugrunds

Ausführung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) – Spundwandkonstruktionen

814

Anhang

Norm

Ausgabe

Status

DIN EN 12371

2002

Prüfverfahren für Naturstein – Bestimmung des Frostwiderstandes

DIN EN 12407

2000

Prüfverfahren für Naturstein – Petrografische Prüfung

DIN EN 12620

2003

Gesteinskörnungen für Beton

DIN EN 12699

2015

Ausführung von Arbeiten im Spezialtiefbau – Verdrängungspfähle

DIN EN 12715

2000

Ausführung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) – Injektionen

DIN EN 12716

2017

DIN EN 12794

2009

Ausführung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) – Betonfertigpfähle

DIN EN 13249

2005

Geotextilien und geotextilverwandte Produkte – Geforderte Eigenschaften für die Anwendung beim Bau von Straßen und sonstigen Verkehrsflächen

DIN EN 13 251

2011

E

Geotextilien und geotextilverwandte Produkte – Geforderte Eigenschaften für die Anwendung im Erd- und Grundbau sowie in Stützbauwerken

DIN EN 13 252

2011

E

Geotextilien und geotextilverwandte Produkte – Geforderte Eigenschaften für die Anwendung in Dränanlagen

DIN EN 13 254

2011

E

Geotextilien und geotextilverwandte Produkte – Geforderte Eigenschaften für die Anwendung beim Bau von Rückhaltebecken und Staudämmen

DIN EN 13 361

2006

Geosynthetische Dichtungsbahnen – Eigenschaften für die Anwendung beim Bau von Rückhaltebecken und Staudämmen erforderlich sind

DIN EN 13 362

2005

Geosynthetische Dichtungsbahnen – Eigenschaften, die für die Anwendung beim Bau von Kanälen erforderlich sind

DIN EN 13450

2003

Gesteinskörnungen für Gleisschotter

DIN EN 13755

2002

Prüfverfahren für Naturstein – Bestimmung der Wasseraufnahme bei atmosphärischem Druck

DIN EN 14199

2015

Ausführung von Arbeiten im Spezialtiefbau – Mikropfähle

DIN EN 14199 Berichtigung 1

2016

Ausführung von Arbeiten im Spezialtiefbau – Mikropfähle; Berichtigung zu DIN EN 14199:2015-07

DIN EN 14475

2006

Ausführung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) – Bewehrte Schüttkörper

DIN EN 14490

2010

Ausführung von Arbeiten im Spezialtiefbau – Bodenvernagelung

DIN EN 14679

2005

Ausführung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) – Tiefreichende Bodenstabilisierung

DIN EN ISO 14688-1

2018

Geotechnische Erkundung und Untersuchung – Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Boden – Teil 1: Benennung und Beschreibung

DIN EN ISO 14688-2

2018

E

E

Titel

Ausführung von Arbeiten im Spezialtiefbau – Düsenstrahlverfahren; Deutsche und Englische Fassung prEN 12716:2017

Teil 2: Grundlagen für Bodenklassifizierungen

815 Anhang

Norm

Ausgabe

Status

DIN EN ISO 14689-1

2018

Geotechnische Erkundung und Untersuchung – Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Fels – Teil 1: Benennung und Beschreibung

DIN EN 14731

2003

Ausführung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) – Baugrundverbesserung durch Tiefenrüttelverfahren

DIN EN 14794

2003

DIN EN 15237

2005

Ausführung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) – Vertikaldräns

EN 16228-1

2014

Geräte für Bohr- und Gründungsarbeiten – Sicherheit – Teil 1: Gemeinsame Anforderungen

EN 16228-2

2014

Teil 2: Mobile Bohrgeräte für Tiefbau, Geotechnik und Gewinnung

EN 16228-3

2014

Teil 3: Geräte für das Gerichtete Horizontalbohrverfahren (HDD) Tiefbau, Geotechnik und Gewinnung

EN 16228-4

2014

Teil 4: Geräte für Gründungsarbeiten

EN 16228-5

2014

Teil 5: Geräte für Schlitzwandarbeiten

EN 16228-6

2014

Teil 6: Geräte für Injektionsarbeiten

EN 16228-7

2014

Teil 7: Auswechselbare Zusatzausrüstung

DIN EN 16907-1

2015

E

Erdarbeiten – Teil 1: Grundsätze und allgemeine Regeln

DIN EN 16907-2

2015

E

Erdarbeiten – Teil 2: Materialklassifizierung

DIN EN 16907-3

2015

E

Erdarbeiten – Teil 3: Ausführung von Erdarbeiten

DIN EN 16907-4

2015

E

Erdarbeiten – Teil 4 Bodenbehandlung mit Kalk und/oder hydraulischen Bindemitteln

DIN EN 16907-5

2015

E

Erdarbeiten – Teil 5: Qualitätskontrolle und Überwachung

DIN EN ISO 17892-1

2013

E

Geotechnische Erkundung und Untersuchung – Laborversuche an Bodenproben – Teil 1: Bestimmung des Wassergehalts

DIN EN ISO 17892-2

2005

E

Teil 2: Bestimmung der Dichte des Bodens

DIN EN ISO 17892-3

2016

Teil 3: Bestimmung der Korndichte

DIN EN ISO 17892-4

2017

Teil 4: Bestimmung der Korngrößenverteilung

DIN ISO/TS 17892-5

2005

V

Teil 5: Oedometerversuch mit stufenweiser Belastung

DIN ISO/TS 17892-6

2005

V

Teil 6: Fallkegelversuch

DIN EN ISO 17892-7

2016

E

Teil 7: Einaxialer Druckversuch an feinkörnigen Böden

DIN EN ISO 17892-8

2016

E

Teil 8: Unkonsolidierter undränierter Triaxialversuch

DIN EN ISO 17892-9

2016

E

Teil 9: Konsolidierte triaxiale Kompressionsversuche an wassergesättigten Böden

DIN ISO/TS 17892-10

2018

E

Teil 10: Direkte Scherversuche

DIN ISO/TS 17892-11

2018

E

Teil 11: Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit

E

Titel

Ausführung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) – Betonfertigpfähle

816

Anhang

Norm

Ausgabe

Status

Titel

DIN EN ISO/TS 17892-12

2017

E

Teil 12:Bestimmung der Zustandsgrenzen

DIN EN ISO 18674-1

2015

Geotechnische Erkundung und Untersuchung – geotechnische Messungen – Teil 1: Allgemeine Festlegungen

DIN EN ISO 18674-2

2017

Teil 2: Verschiebungsmessungen entlang einer Messlinie: Extensometer

DIN EN ISO 18674-3

2018

Teil 2: Verschiebungsmessungen senkrecht zu einer Linie mit Inklinometer

EN ISO 22282-1

2012

Geotechnische Erkundung und Untersuchung – Geohydraulische Versuche – Teil 1: Allgemeine Regeln

EN ISO 22282-2

2012

Teil 2: Wasserdurchlässigkeitsversuche in einem Bohrloch unter Anwendung offener Systeme

DIN EN ISO 22282-3

2012

Teil 3: Wasserdruckversuch im Fels

DIN EN ISO 22282-4

2012

Teil 4: Pumpversuche

DIN EN ISO 22282-5

2012

Teil 5: Infiltrometerversuche

DIN EN ISO 22282-6

2012

Teil 6: Durchlässigkeitsversuche im Bohrloch mittels geschlossener Systeme

DIN EN ISO 22475-1

2007

Geotechnische Erkundung und Untersuchung – Probenentnahmeverfahren und Grundwassermessungen – Teil 1: Technische Grundlagen der Ausführung

DIN ISO/TS 22475-2

2007

V

Teil 2: Qualifikationskriterien für Unternehmen und Personal

ISO/TS 22475-3

2008

V

Teil 3: Konformitätsbewertung von Unternehmen und Personal durch eine Zertifizierungsstelle

DIN EN ISO 22476-1

2013

Geotechnische Erkundung und Untersuchung – Felduntersuchungen – Teil 1: Drucksondierungen mit elektrischen Messwertaufnehmern und Messeinrichtungen für den Porenwasserdruck

DIN EN ISO 22476-2

2012

Teil 2: Rammsondierungen

DIN EN ISO 22476-3

2012

Teil 3: Standard Penetration Test

DIN EN ISO 22476-4

2013

Teil 4: Pressiometerversuch nach MÉNARD

DIN EN ISO 22476-5

2013

Teil 5: Versuch mit dem flexiblen Dilatometer

DIN EN ISO 22476-6

2013

Teil 6: Versuch mit dem selbstbohrenden Pressiometer

DIN EN ISO 22476-7

2013

Teil 7: Seitendruckversuch

DIN EN ISO 22476-8

2005

DIN EN ISO 22476-9

2009

DIN EN ISO 22476-10

2016

E

Teil 10: Gewichtssondierung

DIN EN ISO 22476-11

2015

E

Teil 11: Flachdilatometerversuch

DIN EN ISO 22476-12

2009

E

Teil 8: Versuch mit dem Verdrängungspressiometer Teil 9 Flügelscherversuch

Teil 12: Drucksondierungen mit mechanischen Messwertaufnehmern

817 Anhang

Norm

Ausgabe

Status

Titel

DIN EN ISO 22476-13

2009

E

Teil 13: Belastungsversuch mit Flachgründungen

DIN EN ISO 22476-15

2016

DIN EN ISO 22477-1

2017

E

Geotechnische Erkundung und Untersuchung – Prüfung von geotechnischen Bauwerken und Bauwerksteilen – Teil 1: Pfahlprobebelastungen durch statische axiale Belastungen

DIN EN ISO 22477-4

2016

E

Teil 4: Pfahlprüfungen: Dynamische Pfahlprobebelastung

DIN EN ISO 22477-5

2016

E

Teil 5: Prüfung von Verpressankern

DIN EN ISO 22477-10

2015

E

Teil 10: Pfahlprobebelastungen; Schnellprüfung mit axialer Druckbelastung (ISO/DIS 22477-10:2015)

2

Teil 15: Aufzeichnung der Bohrparameter

Deutsche nationale Normen

Norm

Ausgabe

Status

Titel

DIN 1054

2010

Baugrund – Sicherheitsnachweise im Erd und Grundbau – Ergänzende Regelungen zu DIN EN 1997-1

DIN 1054/A2

2015

Baugrund – Sicherheitsnachweise im Erd und Grundbau – Ergänzende Regelungen zu DIN EN 1997-1; Änderung 2

DIN 1055-2

2010

Einwirkungen auf Tragwerke – Teil 2: Bodenkenngrößen

DIN 4017 mit Beiblatt 1

2006 2006

Baugrund – Berechnung des Grundbruchwiderstands von Flachgründungen

DIN 4018

1974

Baugrund – Berechnung der Sohldruckverteilung unter Flächengründungen

DIN 4018 Beiblatt 1

1981

Baugrund – Berechnung der Sohldruckverteilung unter Flächengründungen; Erläuterungen und Berechnungsbeispiele

DIN 4019

2015

Baugrund – Setzungsberechnungen

DIN 4020

2010

Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke – Ergänzende Regelungen zu DIN EN 1997-2

DIN 4020 Beiblatt 1

2003

Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke – Anwendungshilfen, Erklärungen

DIN 4023

2006

Geotechnische Erkundung und Untersuchung – Zeichnerische Darstellung der Ergebnisse von Bohrungen und sonstigen direkten Aufschlüssen

DIN 4030-1

2008

Beurteilung betonangreifender Wässer, Böden und Gase – Teil 1: Grundlagen und Grenzwerte

DIN 4030-2

2008

Beurteilung betonangreifender Wässer, Böden und Gase – Teil 2: Entnahme und Analyse von Wasser- und Bodenproben

DIN 4049-1

1994

Hydrologie – Teil 1: Grundbegriffe

818

Anhang

Norm

Ausgabe

Status

DIN 4049-2

1990

– Teil 2: Begriffe der Grundwasserbeschaffenheit

DIN 4049-3

1994

– Teil 3: Begriffen der quantitativen Hydrologie

DIN 4084 mit Beiblatt

2009

Baugrund – Geländebruchberechnungen

DIN 4084/A1

2016

E

Baugrund – Geländebruchberechnungen; Änderung 1

DIN 4085

2016

E

Baugrund – Berechnung des Erddrucks

DIN 4093

2015

Bemessung von verfestigten Bodenkörpern – Hergestellt mit Düsenstrahl, Deep-Mixing oder Injektionsverfahren

DIN 4094-4

2002

Baugrund: Felduntersuchungen, Teil 4: Flügelscherversuche

DIN 4094-5

2001

Baugrund; Feldversuche, Teil 5: Bohrlochaufweitungsversuche

DIN 4095

1990

Baugrund – Dränung zum Schutz baulicher Anlagen; Planung, Bemessung und Ausführung

DIN 4107-1

2011

Geotechnische Messungen – Teil 1: Grundlagen –

DIN 4107-2

2011

Teil 2: Extensometer- und Konvergenzmessungen

DIN 4107-3

2011

Teil 3: Inklinometer- und Deflektometermessungen

DIN 4107-4

2012

Teil 4: Druckkissenmessungen

DIN 4123

2000

Ausschachtungen, Gründungen und Unterfangungen im Bereich bestehender Gebäude

DIN 4124

2012

Baugruben und Gräben – Böschungen, Verbau, Arbeitsraumbreiten

DIN 4126

2013

Nachweis der Standsicherheit von Schlitzwänden

DIN 4126

2013

Nachweis der Standsicherheit von Schlitzwänden – Beiblatt 1: Erläuterungen

DIN 4149

2005

DIN 4150-1

2001

Erschütterungen im Bauwesen – Teil 1: Vorermittlung der Schwingungsgrößen

DIN 4150-2

1999

Teil 2: Einwirkung auf Menschen in Gebäuden

DIN 4150-3

2016

Teil 3: Einwirkung auf bauliche Anlagen

DIN 18121-1

1998

DIN 18121-2

2012

Baugrund – Untersuchungen von Bodenproben; Wassergehalt – Teil 2: Bestimmung durch Schnellverfahren

DIN 18122-1

1997

Baugrund – Untersuchung von Bodenproben; Zustandsgrenzen (Konsistenzgrenzen) – Teil 1: Bestimmung der Fließ- und Ausrollgrenze

DIN 18122-2

2000

Baugrund – Untersuchung von Bodenproben; Zustandsgrenzen (Konsistenzgrenzen) – Teil 2: Bestimmung der Schrumpfgrenze

DIN 18123

2011

Baugrund – Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung der Korngrößenverteilung Ersetzt durch DIN EN ISO 17892-4

Z

Z

Titel

Bauten in deutschen Erdbebengebieten – Lastannahmen, Bemessung und Ausführung üblicher Hochbauten

Baugrund – Untersuchung von Bodenproben; Wassergehalt – Teil 1: Bestimmung durch Ofentrocknung

819 Anhang

Norm

Ausgabe

Status

Titel

DIN 18124

2011

DIN 18125-1

1997

DIN 18125-2

2011

Baugrund, Untersuchung von Bodenproben; – Bestimmung der Dichte des Bodens – Teil 2: Feldversuche

DIN 18126

1996

Baugrund – Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung der Dichte nichtbindiger Böden bei lockerster und dichtester Lagerung

DIN 18127

2008

Baugrund – Untersuchung von Bodenproben; Proctorversuch

DIN 18128

2002

Baugrund – Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung des Glühverlustes

DIN 18129

2010

Baugrund – Untersuchung von Bodenproben; Kalkgehaltsbestimmung

DIN 18130-1

1998

Baugrund – Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwerts – Teil 1: Laborversuche

DIN 18130-2

2015

Baugrund – Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung des Wasserdurchlässigkeitsbeiwertes – Teil 2: Feldversuche

DIN 18132

2011

Baugrund – Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung des Wasseraufnahmevermögens

DIN 18134

2012

Baugrund – Versuche und Versuchsgeräte; Plattendruckversuch

DIN 18135

2012

Baugrund – Untersuchung von Bodenproben; Eindimensionaler Kompressionsversuch

DIN 18136

2003

Baugrund – Untersuchung von Bodenproben; Einaxialer Druckversuch

DIN 18137-1

2010

Baugrund – Versuche und Versuchsgeräte; Bestimmung der Scherfestigkeit; Teil 1: Begriffe und grundsätzliche Versuchsbedingungen

DIN 18137-2

2011

Teil 2: Triaxialversuch

DIN 18137-3

2002

Teil 3: Direkter Scherversuch

DIN 18195

2017

Abdichtung von Bauwerken – Begriffe

DIN 18195-4

2011

Bauwerksabdichtungen – Teil 4: Abdichtungen gegen Bodenfeuchte (Kapillarwasser, Haftwasser) und nicht stauendes Sickerwasser an Bodenplatten und Wänden; Bemessung und Ausführung

DIN 18195-5

2011

Bauwerksabdichtungen – Teil 5: Abdichtungen gegen nicht drückendes Wasser auf Deckenflächen und in Nassräumen; Bemessung und Ausführung

DIN 18195-6

2011

Bauwerksabdichtungen – Teil 6: Abdichtungen gegen von außen drückendes Wasser und aufstauendes Sickerwasser; Bemessung und Ausführung

DIN 18196

2011

Erd- und Grundbau – Bodenklassifikation für bautechnische Zwecke

DIN 18299

2016

VOB Vergabe- und Vertragsbedingungen für Bauleistungen – Teil C: Allgemeine Technische Vertragsbedingungen für Bauleistungen (ATV) – Allgemeine Regeln für Bauarbeiten jeder Art

Baugrund – Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung der Korndichte – Kapillarpyknometer, Weithalspyknometer Ersetzt durch DIN EN ISO 17892-3 Z

Baugrund – Untersuchung von Bodenproben Bestimmung der Dichte des Bodens – Teil 1: Laborversuche

820

Anhang

Norm

Ausgabe

Status

DIN 18300

2016

– Erdarbeiten

DIN 18301

2016

– Bohrarbeiten

DIN 18302

2016

– Arbeiten zum Ausbau von Bohrungen

DIN 18303

2016

– Verbauarbeiten

DIN 18304

2016

– Ramm-, Rüttel- und Pressarbeiten

DIN 18305

2016

– Wasserhaltungsarbeiten

DIN 18308

2016

– Drän- und Versickerungsarbeiten

DIN 18309

2015

– Einpressarbeiten

DIN 18311

2016

– Nassbaggerarbeiten

DIN 18312

2016

– Untertagearbeiten

DIN 18313

2016

– Schlitzwandarbeiten mit stützenden Flüssigkeiten

DIN 18314

2016

– Spritzbetonarbeiten

DIN 18319

2015

– Rohrvortriebsarbeiten

DIN SPEC 18537

2010

DIN 18538

2012

Ergänzende Festlegungen zu DIN EN 12699:2001-05, Ausführung spezieller geotechnischer Arbeiten (Spezialtiefbau) – Verdrängungspfähle

DIN 18539

2012

Ergänzende Festlegungen zu DIN EN 14199:2012-01, Ausführung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) – Pfähle mit kleinen Durchmessern (Mikropfähle)

DIN 19700-10

2004

Stauanlagen – Teil 10: Gemeinsame Festlegung

DIN 19700-11

2004

Teil 11: Talsperren

DIN 19700-12

2004

Teil 12: Hochwasserrückhaltebecken

DIN 19700-13

2017

DIN 19700-14

2004

Teil  14: Pumpspeicherbecken

DIN 19700-15

2004

Teil  15: Sedimentationsbecken

DIN 50929-1

2017

Korrosion der Metalle – Korrosionswahrscheinlichkeit metallischer Werkstoffe bei äußerer Korrosionsbelastung Teil 1: Allgemeines

DIN 50929-3

2017

DIN 52098

2005

Prüfverfahren für Gesteinskörnungen – Bestimmung der Korngrößenverteilung durch Nasssiebung /Achtung: Vorgesehener Ersatz durch DIN EN 933-1 und -2

DIN 52099

2005

Prüfung von Gesteinskörnungen; Prüfung der Reinheit

E

E

E

Titel

Ergänzende Festlegungen zu DIN EN 1537:2014, Ausführung von Arbeiten im Spezialtiefbau – Verpressanker

Teil 13: Staustufen

Korrosion der Metalle – Korrosionswahrscheinlichkeit metallischer Werkstoffe bei äußerer Korrosionsbelastung Teil 2: Rohrleitungen und Bauteile im Boden

821 Anhang

Norm

Ausgabe

DIN 52100-2

2007

Prüfung von Naturstein und Gesteinskörnungen – Allgemeines und Übersicht

DIN 52101

2005

Prüfverfahren für Gesteinskörnungen – Probennahme / Achtung: in Verbindung mit DIN EN 932-1 und -2

DIN 52102

2006

Prüfverfahren für Gesteinskörnungen – Bestimmung der Trockenrohdichte mit dem Messzylinderverfahren und Berechnung des Dichtigkeitsgrades

DIN 52103

1988

Prüfung von Naturstein und Gesteinskörnungen – Bestimmung von Wasseraufnahme und Sättigungswert / Achtung: Vorgesehener Ersatz durch DIN EN 1097-6

DIN 52104-3

1992

DIN 52 106

2004

3

Status

Titel

V

Prüfung von Naturstein und Gesteinskörnungen – Frost-TauWechselversuch; Prüfung von Gesteinskörnungen mit Taumitteln Prüfung von Gesteinskörnungen – Untersuchungsverfahren zur Beurteilung der Verwitterungsbeständigkeit

Österreichische nationale Normen

Norm

Ausgabe

ÖNORM B 1997-1-1

2010

Status

Titel Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik – Teil 1: Allgemeine Regeln – Nationale Festlegungen zu ÖNORM EN 1997-1 und nationale Ergänzungen

ÖNORM B 1997-1-2

Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik – Flächengründungen

ÖNORM B 1997-1-3

Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik – Pfahlgründungen

ÖNORM B 1997-1-4

Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik – Erddruckberechnung und Stützbauwerke

ÖNORM B 2203

1994

Z

Untertagebauarbeiten – Richtlinien und Vertragsbestimmungen; Werkvertragsnorm

ÖNORM B 2203-1

2001

Untertagebauarbeiten – Richtlinien und Vertragsbestimmungen; Zyklischer Vortrieb

ÖNORM B 2203 – 2

2003

Untertagebauarbeiten – Richtlinien und Vertragsbestimmungen; Kontinuierlicher Vortrieb

ÖNORM B 4400-1

2010

Geotechnik – Teil 1: Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Böden – Regeln zur Umsetzung der ÖNORMEN EN ISO 14688-1 und -2 sowie grundlegende Symbole und Einheiten

ÖNORM B 4400-2

2010

Geotechnik – Teil 2: Benennungen und Definitionen, Beschreibung und Klassifizierung von Fels Regeln zur Umsetzung der ÖNORM EN ISO 14689-1

822

Anhang

Norm

Ausgabe

Status

Titel

ÖNORM B 4401-1

1980

Z

Erd- und Grundbau – Erkundung durch Schürfe und Bohrungen sowie Entnahme von Proben; Aufschlüsse im Lockergestein (ersetzt durch EN ISO 22475-1)

ÖNORM B 4401-2

1983

Z

Erd- und Grundbau – Erkundung durch Schürfe und Bohrungen sowie Entnahme von Proben; Aufschlüsse im Festgestein (ersetzt durch EN ISO 22475-1)

ÖNORM B 4401-3

1985

Z

Erd- und Grundbau – Erkundung durch Schürfe und Bohrungen sowie Entnahme von Proben; Protokollierung (ersetzt durch EN ISO 22475-1)

ÖNORM B 4401-4

1990

Z

Erd- und Grundbau – Erkundung durch Schürfe und Bohrungen sowie Entnahme von Proben; zeichnerische Darstellung der Ergebnisse (ersetzt durch EN ISO 22475-1)

ÖNORM B 4402

2003

ÖNORM B 4405

1977

ÖNORM B 4410

1974

Erd- und Grundbau – Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung des Wassergehaltes durch Ofentrocknung

ÖNORM B 4411

2009

Geotechnik – Untersuchung von Bodenproben; Zustandsgrenzen (Konsistenzgrenzen), Bestimmung der Fließund Ausrollgrenze

ÖNORM B 4412

1974

Erd- und Grundbau – Untersuchung von Bodenproben; Korngrößenverteilung

ÖNORM B 4413

1975

Erd- und Grundbau – Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung der Korndichte mit dem Kapillarpyknometer

ÖNORM B 4414-1

1976

Erd- und Grundbau – Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung der Dichte des Bodens, Labormethoden

ÖNORM B 4414-2

1979

Erd- und Grundbau – Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung der Dichte des Bodens, Feldverfahren

ÖNORM B 4415

2010

Geotechnik – Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung der einaxialen Druckfestigkeit

ÖNORM B 4416

1978

Erd- und Grundbau – Untersuchung von Bodenproben; Grundsätze für die Durchführung und Auswertung von Scherversuchen

ÖNORM B 4417

1979

Erd- und Grundbau – Untersuchung von Böden; Lastplattenversuch

ÖNORM B 4418

2007

Geotechnik – Durchführung von Proctorversuchen im Erdbau

ÖNORM B 4419

2006

Geotechnik – Besondere Rammsondierverfahren

ÖNORM B 4419-1

1985

ÖNORM B 4420

1989

Erd- und Grundbau – Geotechnische Untersuchungen für bautechnische Zwecke Z

Z

Erd- und Grundbau – Baugrunderkundung mit Kleingeräten; Sondierbohrgerät mit genuteter Sondiernadel (ersetzt durch B 4419)

Erd- und Grundbau – Untergrunderkundung durch Sondierungen; Rammsondierungen Erd- und Grundbau – Untersuchung von Bodenproben; Grundsätze für die Durchführung und Auswertung von Kompressionsversuchen

823 Anhang

Norm

Ausgabe

Status

ÖNORM B 4422-1

1992

Erd- und Grundbau – Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit, Laborprüfungen

ÖNORM B 4422-2

2002

Erd- und Grundbau – Untersuchung von Böden; Bestimmung der Wasserdurchlässigkeit, Feldmethoden für oberflächennahe Schichten

ÖNORM B 4430-1

Titel

Erd- und Grundbau – Zulässige Belastungen des Baugrundes; Flächengründungen

ÖNORM B 4430-2

1978

Erd- und Grundbau – Zulässige Belastungen des Baugrundes; Pfahlgründungen

ÖNORM B 4431-1

1983

Erd- und Grundbau – Zulässige Belastungen des Baugrundes; Setzungsberechnungen für Flächengründungen

ÖNORM B 4431-2

1986

Erd- und Grundbau – Zulässige Belastungen des Baugrundes; Setzungsbeobachtungen

ÖNORM B 4432

1980

Erd- und Grundbau – Zulässige Belastungen des Baugrundes; Grundbruchberechnungen

ÖNORM B 4433

1987

Erd- und Grundbau – Böschungsbruchberechnung

ÖNORM B 4434

1993

Erd- und Grundbau – Erddruckberechnung

ÖNORM B 4435-1

2003

Erd- und Grundbau – Flächengründungen, Berechnung der Tragfähigkeit bei einfachen Verhältnissen

ÖNORM B 4435-2

1999

Erd- und Grundbau – Flächengründungen; EUROCODE-nahe Berechnung der Tragfähigkeit

ÖNORM B 4440

2001

Erd- und Grundbau – Großbohrpfähle; Tragfähigkeit

ÖNORM B 4450

1974

ÖNORM B 4452

1998

Erd- und Grundbau – Dichtwände im Untergrund

ÖNORM B 4454

2001

Erd- und Grundbau – Injektionen in Fest- und Lockergestein; Prüfungen

ÖNORM B 4455

1992

ÖNORM B 4490

1981

ÖNORM B 3305

1972

4

Z

Z

Erd- und Grundbau – Schlitzwände

Erd- und Grundbau – Vorgespannte Anker für Lockergestein und Festgestein Erd- und Grundbau – Begriffe, Symbole und Einheiten

Z

Betonangreifende Wässer, Böden und Gase; Beurteilung und chemische Analyse

Schweizer nationale Normen

Norm

Ausgabe

Status

Titel (deutschsprachige Ausgabe)

SIA 118/198

2007

E

Allgemeine Bedingungen für Untertagbau

SIA 118/267

2004

Allgemeine Bedingungen für geotechnische Arbeiten

SIA 197

2004

Projektierung Tunnel; Grundlagen

824

Anhang

Norm

Ausgabe

SIA 197/1

2004

Projektierung Tunnel; Bahntunnel

SIA 197/2

2004

Projektierung Tunnel; Straßentunnel

SIA 198

2004

Untertagbau; Ausführung

SIA 199

1998

Erfassen des Gebirges im Untertagbau

SIA 261

2003

Einwirkungen

SIA 267

2003

Geotechnik

SIA 267/1

2003

Geotechnik, ergänzende Festlegungen

SN 640 034a

1997

Darstellung der Projekte; Geotechnische Signaturen – mit Beilage: Darstellungsbeispiele für Geotechnische Signaturen

SN 640 311a

1969

Geotechnische Untersuchungen zum Straßenobjekt

SN 640 317b

1997

Dimensionierung; Untergrund und Unterbau

SN 640 585

1971

Verdichtung; Anforderungen Erdarbeiten

SN 670 005a

1997

Identifikation der Lockergesteine; Feldmethoden

SN 670 008a

1997

Identifikation der Lockergesteine; Labormethode mit Klassifikation nach USCS

SN 670 009

1995

Geologische Terminologie der Lockergesteine

SN 670 010b

1998

Bodenkennziffern

SN 670 125a

1983

Filtermaterialien; Qualitätsvorschriften

SN 670 300

Status

Titel (deutschsprachige Ausgabe)

Böden, Versuche; Notwendige Parameter für die Darstellung der Resultate geotechnischer Versuche

SN 670 312b

1998

Versuche an Böden; VSS-Gerät für den Plattendruckversuch EV und ME.

SN 670 316a

1994

Versuche an Böden; CBR- Penetrometer, Feldversuch.

SN 670 317b

1998

Versuche an Böden; Plattendruckversuch EV und ME

SN 670 320b

1994

Versuche an Böden; CBR-Versuch im Laboratorium

SN 670 335a

1989

Versuche an Böden; Dichte des Bodens

SN 670 345a

1989

Versuche an Böden; Konsistenzgrenzen

SN 670 350

1992

Versuche an Böden; Taschenpenetrometer, Taschen- und Laborflügelsonde

SN 670 352

1992

Versuche an Böden; Einfache Druckfestigkeit

SN 670 417

1996

Versuche an Böden; Rammsondierung „Von Moos“.

SN 670 810c

1985

Mineralische Baustoffe und Lockergesteine; Siebanalyse.

SN 670 816a

1989

Mineralische Baustoffe und Lockergesteine; Schlämmanalyse nach der Aräometermethode.

825 Anhang

5

Richtlinien, Merkblätter und Empfehlungen von Fachverbänden und -gesellschaften

5.1 Empfehlungen des Arbeitskreises „Versuchstechnik Fels“ der DGGT (1979–2009) Nr. 

Titel

veröffentlicht in

1

Einaxiale Druckversuche an Gesteinsproben

Bautechnik

2004, Nr.  10

2

Dreiaxiale Druckversuche an Gesteinsproben

Bautechnik

1979, Nr.  7, in Überarbeitung

3

Dreiaxiale Druckversuche an geklüfteten Großbohrkernen im Labor

Bautechnik

1979, Nr.  7

4

Scherversuch in situ

Bautechnik

1980, Nr.  10

5

Punktlastversuche an Gesteinsproben

Bautechnik

2010, Nr.  6

6

Doppel-Lastplattenversuch

Bautechnik

1985, Nr.  3

7

Schlitzentlastungs- und Druckkissenversuche

Bautechnik

1984, Nr.  3

8

Dilatometerversuche in Felsbohrungen

Bautechnik

1984, Nr.  4

9

Wasserdruckversuch im Fels

Bautechnik

1984, Nr.  4

10

Indirekter Zugversuch an Gesteinsproben – Spaltzugversuch

Bautechnik

2009, Nr.  9, in Überarbeitung

11

Quellversuche an Gesteinsproben

Bautechnik

1986, Nr.  3

12

Mehrstufentechnik bei dreiaxialen Druckversuchen und direkten Scherversuchen

Bautechnik

1987, Nr.  11

13

Laborscherversuch an Felstrennflächen

Bautechnik

1988, Nr.  9

14

Überbohr-Entlastungsversuch zur Bestimmung von Gebirgsspannungen

Bautechnik

1990, Nr.  9 in Überarbeitung

16

Ein- und dreiaxiale Kriechversuche an Gesteinsproben

Bautechnik

1994, Nr.  8

15

Verschiebungsmessungen längs der Bohrlochachse, Extensometermessungen

Bautechnik

1991, Nr.  2

17

Einaxiale Relaxationsversuche an Gesteinsproben

Bautechnik

1994, Nr.  8

18

Konvergenzmessungen und geodätische Lageänderungsmessungen

Bautechnik

1996, Nr.  8

19

Spannungsänderungsmessungen mittels Druckkissen

Bautechnik

erscheint demnächst

20

Verwitterungsbeständigkeit von Gesteinen – Siebtrommelversuch

Bautechnik

2002, Nr.  2

21

Verschiebungsmessungen quer zur Bohrlochachse Inklinometer- und Deflektometermessungen

Bautechnik

2002, Nr.  4

826

Anhang

5.2 Empfehlungen der Deutschen Gesellschaft für Geotechnik – DGGT EVB Empfehlungen „Verformungen des Baugrundes bei baulichen Anlagen“ (1993) ETB Empfehlungen des Arbeitskreises „Tunnelbau“ (1995) GDA Empfehlungen Geotechnik der Deponien und Altlasten (4. Aufl. 2003) KPP  Richtlinie für den Entwurf, die Bemessung und den Bau von Kombinierten Pfahl-Plattengründungen (2000)

EAG-GTD Empfehlungen zur Anwendung geosynthetischer Tondichtungsbahnen (2002) EAK Empfehlungen für die Ausführung von Küstenschutzbauten EAU  Empfehlungen des Arbeitsausschusses „Ufereinfassungen, Häfen und Wasserstraßen“ (10. Aufl. 2004/2009)

– Empfehlung „Geotechnisch-markscheiderische Untersuchung und Bewertung von Altbergbau“ (2004) – Empfehlung „Wechselwirkungen Baugrund/Bauwerk bei Flachgründungen“ (2004) EAG-EDT Empfehlungen zu Dichtungssystemen im Tunnelbau EAB Empfehlungen des Arbeitskreises „Baugruben“ (4. korr. Aufl. 2007, 5. Aufl. in Arbeit) EAP Empfehlungen des Arbeitkreises „Pfähle“, EA-Pfähle (2007) –  Empfehlung „Geotechnisch-markscheiderische Untersuchung und Bewertung von Tagebaurestlöchern, Halden und Kippen des Altbergbaus“ (2009)

EBGEO  Empfehlungen für den Entwurf und die Berechnung von Erdkörpern mit Bewehrungen aus Geokunststoffen (2010)

–

Empfehlung „Sicherung und Verwahrung im Altbergbau“ (2010)

5.3 Empfehlungen Deutscher Ausschuss für unterirdisches Bauen e. V. (DAUB-Empfehlungen) 44Empfehlung für Kriterien zur Auswahl und Bewertung von Tunnelvortriebsmaschinen

(1997/2010)

44Empfehlung für Konstruktion und Betrieb von Schildmaschinen (2000) 44Empfehlung für statische Berechnungen von Schildvortriebsmaschinen (2005) 44Empfehlung zu Ausführung und Einsatz unbewehrter Tunnelinnenschalen (2007) 44Empfehlungen zu Schutzmaßnahmen bei Tunnelvortrieben in asbestbelastetem Gestein (2007)

5.4 Merkblätter, Richtlinien und technische Vertrags- und Lieferbedingungen der Forschungsgesellschaft für das Straßen- und Verkehrswesen (FGSV) betr. Erd- und Grundbau sowie Mineralstoffe im Straßenbau (auszugsweise) 44Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Erdarbeiten im

Straßenbau – ZTVE-StB 17

44Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Ingenieurbauten

(ZTV – ING, 2007) Teil 1: Allgemeines, Teil 2: Grundbau, Teil 5: Tunnelbau

44Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Tragschichten im

Straßenbau – ZTVT-StB 95/Fassung 02

44Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Entwässe-

rungseinrichtungen im Straßenbau (ZTV Ew-StB 91)

44Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Landschaftsbauarbeiten im

Straßenbau (ZTV La-StB 99)

44Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Aufgrabungen an

Verkehrsflächen (ZTVA-StB 97/ Fassung 06)

827 Anhang

44Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für Sicherungsarbeiten an

Arbeitsstellen an Straßen (ZTV SA 97)

44Zusätzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien für den Bau von Schichten

ohne Bindemittel im Straßenbau (ZTV SoB-StB 04/Fassung 07)

44Merkblatt für die Untergrundverbesserung durch Tiefenrüttler (1979) 44Merkblatt über Felsgruppenbeschreibung für bautechnische Zwecke im Straßenbau (1980) 44Merkblatt für die gebirgsschonende Ausführung von Spreng- und Abtragsarbeiten an

Felsböschungen (1984)

44Merkblatt für den Entwurf und die Herstellung von Raumgitterwänden und –wällen (1985) 44Merkblatt über Straßenbau auf wenig tragfähigem Untergrund (1988) 44Merkblatt über Einsenkungsmessungen mit dem Benkelmann-Balken (1991) 44Merkblatt für hydraulisch gebundene Tragschichten aus sandreichen Mineralstoffgemischen

(1991)

44Merkblatt für die Verhütung von Frostschäden an Straßen (1991) 44Merkblatt für die Felsbeschreibung für den Straßenbau (1992) 44Merkblatt über flächendeckende dynamische Verfahren zur Prüfung der Verdichtung im

Erdbau (1993)

44Merkblatt über den Einfluss der Hinterfüllung auf Bauwerke (1994) 44Merkblatt für die Verwendung von EPS-Hartschaumstoffen beim Bau von Straßendämmen

(1995)

44Merkblatt über die Wiederverwertung von mineralischen Baustoffen als Recycling-Baustoffe

im Straßenbau (2002)

44Merkblatt für die Kontrolle und Wartung von Sickeranlagen (2002) 44Merkblatt für die Herstellung, Bemessung und Qualitätssicherung von Stabilisierungssäulen

zur Untergrundverbesserung – Teil 1: CSV Verfahren (Combined Soil Stabilization with Vertical Columns) (2002) 44Merkblatt für die Verdichtung des Untergrundes und Unterbaus im Straßenbau (2003) 44Merkblatt über Stützkonstruktionen aus Betonelementen, Blockschichtungen und Gabionen (2003) 44Merkblatt über geotechnische Untersuchungen und Berechnungen im Straßenbau (M GUB 04) – 2004 44Merkblatt für Bodenverfestigungen und Bodenverbesserungen mit Bindemitteln (2004) 44Merkblatt über die Verwendung von Blähton als Leichtbaustoff im Unterbau und Untergrund von Straßen (2005) 44Merkblatt über die Anwendung von Geokunststoffen im Erdbau des Straßenbaus (M Geok E StB – 2005) 44Merkblatt über Bauweisen für technische Sicherungsmaßnahmen beim Einsatz von Böden und Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen im Erdbau (M TS E) 44Merkblatt über die Behandlung von Böden und Baustoffen mit Bindemitteln zur Reduzierung der Eluierbarkeit umweltrelevanter Inhaltsstoffe (2009) 44Merkblatt über Bauwesen für technische Sicherungsmaßnahmen beim Einsatz von Böden und Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen im Erdbau (MTSE) 44Richtlinie für die Anlage von Autobahnen (RAA) 44Richtlinien für die Anlage von Straßen (RAS)

828

Anhang

Teil: Querschnitt (RAS-Q – 1996) 44Teil: Entwässerung (RAS-Ew – 2005) 44Teil: Landschaftsgestaltung (RAS-LG) 44Teil: Landschaftspflege (RAS-LP – 1996) 44Richtlinien für die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrflächen (RStO – 2001) 44Richtlinie für die Sicherung von Arbeitsstellen an Straßen (RSA – 1995/2001) 44Richtlinie für bautechnische Maßnahmen an Straßen in Wasserschutzgebieten (RiStWag – 2001) 44Richtlinie für die umweltverträgliche Anwendung von industriellen Nebenprodukten und Recycling-Baustoffen im Straßenbau (RuA-StB – 2001) 44Richtlinien für die Güteüberwachung von Mineralstoffen im Straßenbau (RG Min-StB – 1993/2000) 44Technische Lieferbedingungen für Gesteinskörnungen im Straßenbau (TL Gestein-StB – 2004) 44Technische Lieferbedingungen für Mineralstoffe im Straßenbau (TL Min-StB – 2000) 44Technische Lieferbedingungen für Böden und Baustoffe im Erdbau des Straßenbaus (TL BuB E-StB – 2009) 44Technische Lieferbedingungen und Technische Prüfvorschriften für Kunststoffdichtungsbahnen und zugehörige Profilbänder (TL/TP KDB – 2007) 44Technische Lieferbedingungen und Technische Prüfvorschriften für Schutz- und Dränschichten aus Geokunststoffen (TL/TP SD – 2007) 44Technische Prüfbedingungen für Mineralstoffe im Straßenbau (TP Min-StB – 1982/1990) 44Technische Prüfvorschriften für Boden und Fels im Straßenbau (TP BF-StB – 2009) 44Technische Prüfvorschriften für Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln (TP HGT-StB – 1994) 44Technische Prüfvorschriften für Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton (TP Beton-StB – 2010) 44Eignungsprüfungen bei Bodenverbesserung und Bodenverfestigung mit Feinkalk und Kalkhydrat (TP BF-StB – 1991) 44Eignungsprüfungen bei Bodenverfestigungen mit hydraulischen Bindemitteln (TP BF-StB – 2005) 44Eignungsprüfungen für Bodenverbesserung (TP BF-StB – 2010) 44Entwurfs- und Berechnungsgrundlagen für Bohrpfahlgründungen und Stahlpfosten von Lärmschutzwänden an Straßen (1997) 44Hinweise für Maßnahmen an bestehenden Straßen in Wasserschutzgebieten (BeStWag – 1993) 44Hinweise für die Ausschreibung von Geotextilen und Geogittern bei Anwendungen im Erdbau des Straßenbaus (2001) 44Hinweise zur Anwendung geotechnischer und geophysikalischer Messverfahren im Straßenbau (2007) 44Umsetzung der Europäischen Normen zu Gesteinskörnungen und Gesteinskörnungsgemischen in FGSV-Regelwerken (ARS-BMVBW – 2005) 44Bauverfahren beim Straßenbau auf wenig tragfähigem Untergrund – Bodenersatzverfahren (2005)

829 Anhang

5.5 Merkblätter, Regeln des DWA – Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (früher ATV – Abwassertechnische Vereinigung und DVWK – Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau) Nummer

Jahr

Titel

138

2005

Planung, Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser

188

1992

Gestaltung und Nutzung von Baggerseen

1990

Hochwasserrückhaltebecken

209

1989

Wahl des Bemessungshochwassers

210

1986

Flussdeiche

215

1990

Dichtungselemente im Wasserbau

221

1992

Anwendung von Geotextilien im Wasserbau

222

1991

Mess- und Kontrolleinrichtungen zur Überprüfung der Standsicherheit von Staumauern und Staudämmen

223

1992

Asphaltdichtungen für Talsperren und Speicherbecken

225

1992

Anwendung von Kunststoffdichtungsbahnen im Wasserbau und für den Gewässerschutz

231

1995

Sicherheitsbericht für Talsperren – Leitfaden

237

1996

Deponieabdichtungen in Asphaltbauweise

242

1996

Berechnungsverfahren für Gewichtsmauern – Wechselwirkung zwischen Bauwerk und Untergrund

245

1997

Tiefenorientierte Probenahme aus Grundwassermessstellen

246

1997

Freibordbemessung an Stauanlagen

ATV-DVWK-M 502

2002

Berechnungsverfahren für Staudämme – Wechselwirkung zwischen Bauwerk und Untergrund

ATV-DVWK-M 503

2001

Grundlagen zur Überprüfung und Ertüchtigung von Sedimentationsbecken

2004

Injektionen mit hydraulischen Bindemitteln in Wasserbauwerken aus Massenbeton

202

DWA-M 506

E

E

Einige dieser Merkblätter bzw. Teile davon sollen künftig in die M-Reihe eines gemeinsamen DWA, DGGT und DTK-Ausschusses aufgenommen werden: M 507 Flussdeiche (2010/2011) M 512 Dichtungselemente (in Bearbeitung) M 514 Bauwerksüberwachung an Talsperren (E 2010) M 522 Kleine Stauanlagen (in Bearbeitung)

830

Anhang

5.6 Richtlinien und Merkblätter des DVGW – Deutscher Verein des ­Gas- und Wasserfaches W 101 Richtlinien für Trinkwasserschutzgebiete; 1. Teil: Schutzgebiete für Grundwasser (2006)  W 102 Richtlinien für Trinkwasserschutzgebiete; II. Teil: Schutzgebiete für Talsperren (2002) W 107 Aufbau und Anwendung numerischer Grundwassermodelle in Wassergewinnungsgebieten (2004)  W 109 Planung, Durchführung und Auswertung von Markierungsversuchen bei der Wassergewinnung (Entwurf 2002) W 110 Geophysikalische Untersuchungen in Bohrlöchern und Brunnen zur Erschließung von Grundwasser – Zusammenstellung von Methoden (2005)  W 111 Planung, Durchführung und Auswertung von Pumpversuchen bei der Wassererschließung (1997)  W 112 Entnahme von Wasserproben bei der Erschließung, Gewinnung und Überwachung von Grundwasser (2001)  W 113 Bestimmung des Schüttkorndurchmessers und hydrogeologischer Parameter aus der Korngrößenverteilung für den Bau von Brunnen (2001)  W 115 Bohrungen zur Erkundung, Gewinnung und Beobachtung von Grundwasser (2008)   W 116 Verwendung von Spülungszusätzen in Bohrspülungen bei Bohrarbeiten im Grundwasser (1998)  W 118 Bemessung von Vertikalfilterbrunnen (2005)  W 120 Qualifikationsanforderungen für die Bereiche Bohrtechnik, Brunnenbau und Brunnenregenerierung (2006) W 121 Bau und Ausbau von Grundwassermessstellen (2003)  W 122 Abschlussbauwerke für Brunnen der Wassergewinnung (1995) W 123 Bau und Ausbau von Vertikalfilterbrunnen (2001)  W 124 Kontrollen und Abnahmen beim Bau von Vertikalfilterbrunnen (1998)  W 127 Quellwassergewinnungsanlagen – Planung, Bau, Betrieb, Sanierung und Rückbau (Entwurf 2004) W 135 Sanierung und Rückbau von Bohrungen, Grundwassermessstellen und Brunnen (1998)

5.7 Richtlinien der ÖGG – Österreichische Gesellschaft für Geomechanik 44ÖGG-Richtlinie für die geomechanische Planung von Untertagebauarbeiten mit zyklischen

Vortrieb (2001)

44ÖGG-Richtlinie für die geomechanische Planung von Untertagebauarbeiten mit kontinuier-

lichen Vortrieb (2003/08)

44ÖGG-Richtlinie Kostenermittlung für Projekte des Infrastruktur unter Berücksichtigung

relevanter Projektrisiken (2005)

6

ATA ASTM ATV BAM BAW BGR

Verzeichnis der verwendeten Abkürzungen von Fachverbänden (z. T. mit Regelwerken oder Merkblättern) Austrian Tunnel Association, Wien

American Society for Testing and Materials Abwassertechnische Vereinigung e.V., St. Augustin (Arbeitsblätter) Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung Bundesanstalt für Wasserbau, Karlsruhe (Merkblätter) Bundesanstalt für Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover

831 Anhang

BUWAL Bundesamt für Umwelt, Wald und Landschaft, Bern (CH) CBTR Centrum für Deutsches und Internationales Baugrund- und Tiefbaurecht e.V., Schrobenhausen CEN Europäisches Komitee für Normung D-A-CH D-A-CH-Staaten Deutschland, Österreich und Schweiz DAUB Deutscher Ausschuss für unterirdisches Bauen, Köln (Empfehlungen) DBV Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein e.V. DEBRIV Deutscher Braunkohlen-Industrie-Verein e. V., Köln DEV Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung (DEV-Normen) DGG Deutsche Gesellschaft für Geowissenschaften, Hannover DGGT Deutsche Gesellschaft für Geotechnik, Essen (geotechnik) DIBt Deutsches Institut für Bautechnik, Berlin DMV Deutscher Markscheider-Verein e. V. DNV Deutscher Naturstein-Verband DTK Deutsches Talsperren Komitee DVGW Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches e.V., Bonn (Arbeits- und Merkblätter) DVWK  Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.V., Bonn (Regeln bzw. Merkblätter zur Wasserwirtschaft)

DWA Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall, Hennef (ATV/DVWK vereint) EAB Empfehlungen des Arbeitskreises „Baugruben“ der DGGT EAU Empfehlungen des Arbeitskreises „Ufereinfassungen“ der DGGT EBA Eisenbahn-Bundesamt, Bonn EFNARC European Federation for Spezialist Construction Chemicals FGSV Forschungsgesellschaft für Straßen- und Verkehrswesen e.V., Köln (Merkblätter, Richtlinien) FGU Fachgruppe Untertagebau des Schweizerischen Ingenieur- und Architektenvereins FIGS Federation of International Geo-Ingineering Societies FVS Forschungsgesellschaft für Straßen und Verkehr, Wien (Richtlinien) GFZ GeoForschungszentrum, Potsdam GtV Geothermische Vereinigung, Geeste IAEG International Association of Engeneering Geology and the Environment IFB Institut für Bauforschung, Hannover (Berichte) ITIG International Tunnel Insurance Group ISO International Organization for Standardization ISRM International Society for Rock Mechanics and Mining Scienses ISSMGE International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Ingeneering (ISSMGE-News) ITA International Tunneling Association ITVA Ingenieurtechnischer Verband Altlasten, e.V., Berlin IZW Informationszentrum Wärmepumpen und Kältetechnik, Hannover LAB Länderausschuss Bergbau LABO Länderarbeitsgemeinschaft Boden, Bonn LAGA Länderarbeitsgemeinschaft Abfall, Bonn (Merkblätter, Richtlinien) LAWA Länderarbeitsgemeinschaft Wasser, Stuttgart (Empfehlungen) NAGRA Nationale Genossenschaft für die Lagerung, radioaktiver Abfälle, CH-Baden (Nagra-informiert) ÖGG Österreichische Gesellschaft für Geomechanik, Salzburg (Felsbau, Richtlinien) ÖIAV Österreichischer Ingenieur- und Architekten-Verein, Wien ÖN Österreichisches Normungsinstitut, Wien ÖVBB Österreichische Vereinigung für Beton und Bautechnik, Wien SI Systeme International d’Unites, Paris SIA Schweizer Ingenieur- und Architekten Verein, Zürich SNV Schweizer Normen-Vereinigung, Winterthur STUVA Studiengesellschaft für unterirdische Verkehrsanlagen e.V., Köln SVG Schweizerischer Verband für Geokunststoffe (jhl. Produktkatalog) TGL  Technische Güte- und Lieferbestimmungen des Amtes für Standardisierung, Messwesen und WarenTRGS UBA VDI VOB VÖBU

prüfung, Berlin (DDR-Normen, bis 1990) Technische Regeln für Gefahrenstoffe Umweltbundesamt, Berlin Verein Deutscher Ingenieure, Berlin (Richtlinien) Verdingungsordnung für Bauleistungen, Teile A,B und C Vereinigung Österreichischer Bohr-, Brunnenbau- und Spezialtiefbauunternehmen, Wien

832

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880

Stichwortverzeichnis 1\2-Regel  777

A Abbauverfahren  563 Abbauwerkzeug  689 abdichtend wirkende Baugrubensohle  360 Abdichtung ungedränter Tunnelsysteme  605 Abdichtungsträger  704 Abfall  428 –– gefährlicher  434 –– hochaktiver  548 –– mittelaktiver  548 –– schwachaktiver  548 Abfallschlüssel  429 Abfalltyp  547 Abfallverzeichnis-Verordnung  429 Abholzen eines Hanges  473 Abkühlungseffekt  796 Abminderung des Lagerstättendrucks  303 Abplatzung im Spritzbeton  705 Abrasivität –– Gesteine  618 –– Lockergesteine  620 Abrasivitätsbeiwert nach Schimazek  619 Abrasivitätsversuch  686 Abrasivity Index  619 Abschätzung der Wassermenge  597 Abschlagslänge  702 Abschlauchung  601 Absenktiefe  390, 393, 396 Absenkung –– Grundwasseroberfläche Siehe Grundwasserabsenkung  302 Absenkversuch  101 Absenkwirkung –– Rückgängigmachen  611 Absperrbauwerk  722, 735 Abstand der Aufschlüsse  206 Abstandsgeschwindigkeit  96, 117, 730 Abstromseite  400 Abtragssprengung  405 Acrylat  322 additiver Zuschlag  255, 373 Adhäsion  80 Adsorptionswasser  29

Advektion  541 aggressives Grundwasser  331 aktive Rutschung  487 aktiver Erddruck  274–275 Aktivität –– mikrobiologische  543 Aktivitätszahl  43 akustische Impedanz  37, 70 akustisches Bohrlochfernsehen  242 Alarmschwelle  512 Alarmwert  661, 698 Alkalihydroxid  603 Alphastrahlen  547 Altbergbau  555, 561 alte Landoberfläche  470 alte Rutschung  486 Alter von Erdfällen  774 Alterationsprozess  545 Altersdatierung  485 Ammonium  383 Analytik  430 anerkannte Regeln der Technik  5 anfänglicher Wasseranfall  596 Anfangsdurchmesser  760, 774 Anforderungsprofil  682 Anhydrit  29, 755 –– Hydratation  650 –– Umwandlung  78 –– Unterscheidung von Gips  755 anhydritführendes Gebirge  804 Anhydritspiegel  652, 757 Anisotropie  11, 58 –– der Durchlässigkeit  115 –– des Quellvorgangs  77 Anker  361 –– Anordnung  710 –– Bemessung  366 –– mit freier Dehnstrecke  708 –– Prüfung  366 –– vorgespannter  361 Ankerbohrung  362 Ankersicherung  361, 446, 707 Ankertyp  708 Ankerung  504 Annahmeparameter der DepV  434 Anordnung –– von Ankern  710 anormaler Porenwasserdruck  47 Anschlagwand  586 Ansprache –– organoleptische  429 Anstiegsgeschwindigkeit  568 Anstromseite  400

Anströmwassermenge  597 Anwendung –– bodenähnliche  431 Anzeigepflicht  809 API-Einheit  240 äquivalenter Quarzgehalt  618 Aräometerverfahren  13 Arbeitsbehinderung durch den Wasserzulauf  600 asbestfaserartiges Mineral  580 asbesthaltiges Gestein  614 Asche  434 Atterberg´sche Konsistenzgrenze  40 ATV-Normen der VOB  128 Auffüllung  128 Auflage –– wasserrechtliche  591 Auflast –– auf den Tunnelausbau  668 Auflockerungsdruck  648 Auflockerungsfaktor  403 Auflockerungsglocke  668 Auflockerungszone –– oberflächennahe  644 Aufmaß –– der Klüfte  146 Aufnahme –– der Bohrkerne  778 –– von Injektionsgut  745 Aufreißverhalten  744 Aufschlussbohrung  777 Aufschlussverfahren –– indirektes  217 Aufschwimmen  260 Aufstau –– eines Bergsturzsees  490 aufstauendes Sickerwasser  374 Auftriebskraft  261 Auftriebwegfall –– Setzung  397 Aufwölbung plastischer Schichten  497 Ausbauasphalt  428 Ausbaubogen  706 Ausbaufestlegung  626 Ausbildung –– des Gipses  757 Ausbruchklasse –– für Tunnelbohrmaschinen  683 Ausbruchmaterial  613 Ausbruchquerschnitt  579 –– Unterteilung  678 ausbruchsbedingte Verformung  654

881 Stichwortverzeichnis

Ausbruchsklasse  626 äußere Grundwasserabsenkung  396 Ausfällung  543, 808 Aushubentlastung  269 Ausknicken  440 Auslastungsgrad der Spritzbetonschale  661 Auslaugung –– irreguläre  768 ausmittige Belastung  257 Ausrollgrenze  41 Ausrüstung zur Vorauserkundung  694 Ausschlusskriterium  549 Ausschreibung von Bohrarbeiten  210 Aussolkaverne  546 Ausweichprinzip  653 Auswirkung –– auf die Umwelt  390 –– größerer Grundwasserabsenkungen  610

B Bail-Test  111 Ballon-Verfahren  34 Bankdicke  148 Barriere –– geologische  538, 549 Barrieregestein  539, 553 Basaltblocklehm  452, 528 Basaltgang  767 Baugrube –– geböschte  350 –– in weichem Boden  351 –– Sohldichtung  359 –– wasserdichte  678 Baugrubenaushub  271 Baugrubensohle –– abdichtend wirkende  360 Baugrubenverbau  351 –– Stützung  351 Baugrubenwand –– nachgiebig gestützte  677 –– unnachgiebig gestützte  677 Baugrund  11 Baugrunderkundung  176, 206 Baugrundgutachten  5 Baugrundhebung  29, 271, 304 Baugrundkarte  178 Baugrundklasse  189 Baugrundmodell  250 Baugrundrisiko  5, 581, 641 Baugrundverbesserung  313 Baukalk  418 Bauklasse  425

Baumaßnahme In Wasserschutzgebieten  416 Bauschutt  427–428 Baustoff Gebirge  579 Bauteil –– thermoaktives  798 Bauverfahren –– setzungsarmes  696 Bauweise –– offene  677 –– zweischalige  676 Bauwerk –– begrenzt durchlässiges  357 –– Dränung  374 –– Hinterfüllungsbereich  415 –– Schaden  308 –– Steifigkeit  256 –– Überschüttungsbereich  416 Bauwerksabdichtung  374 Beben –– tektonisches  184 Beckensediment  273 Becquerel  201 bedeckter Karst  750 Bedenkenhinweispflicht  641 Bedeutungskategorie  190 begrenzt durchlässiges Bauwerk  357 Beharrungszustand  105 Beimengung –– organische  127 Belastung –– ausmittige  257 Bemessung –– Anker  366 –– eines Tunnels  666 –– Erdbebeneinwirkung  189 –– hydraulische  374 –– kleinerer Anlagen  795 –– Pfahlgründung  330 –– Spritzbetonausbau  667 –– Versickerungsanlage  377 Bemessungserdbeben  188, 731 Bemessungshochwasser  373 Bemessungssituation  253, 279 Bemessungswasserstand  262, 288, 372, 598, 676 Bemessungswert  254, 279 –– Sohlwiderstand  292 Bentonit  25 Bentonit-Pellets  233 Bentonit-Zement-Suspension  355 Beobachtungsmethode  252, 665 Berechnung einer Grundwasserabsenkung  396, 608 Berechnungsansatz  498 Berechnungsmethode  277 –– numerische  674

A– B

Berechnungsmodell  251 Bergbau –– oberflächennaher  556, 561 –– tagesnaher  556, 560 –– tiefer  556, 564 Bergbaufolge  554 bergfreier Bodenschatz  808 bergrechtliches Verfahren  809 Bergschlaggefahr  63, 645 Bergsenkung  564 Bergsturz  491 Bergsturzsee –– Aufstau  490 Bergwerk –– stillgelegtes, Nutzung  798 Bergzerreißung  495 Bergzerreißungsspalte  489 Bericht –– geotechnischer  5, 176 Berme  445 Beschaffenheit –– Flutungswasser  568 –– Grundwasser  389 Beschreibung –– Böden  124, 225 –– Fels  134 –– Gestein  134 –– Trennflächen  147 Bestandteil –– organischer  28 Betastrahlen  547 Beton –– wasserundurchlässiger  376 betonaggressives Grundwasser  325, 365 Betonzuschlagstoff  18 Bettungsmodul  45, 57, 258, 338, 668 Bettungsmodulverfahren  258, 338 Bewegung –– geodynamische  163 –– nach dem Bruch  488 –– tektonische Bruchlinie  164 –– vor dem Bruch  488 Bewegungsgeschwindigkeit  488 Bewegungsmessung  482, 511 –– relative  483 Bewegungsvektor  482 bewehrende Wirkung von Geogittern  422 bewehrtes Gründungspolster  314 Bewehrung  312 Beweissicherungsmaßnahme  585 Bewertung –– tektonischer Störungszonen  161 Bewilligung  388 bezogene Lagerungsdichte  38, 40 Biegungsverhältnis  295

882

Stichwortverzeichnis

Bildsamkeitszahl  42 Bindemittel  417 –– hydrauliches  318 biogenes Gas  200 Biphenyl –– polychloriertes  538 Block-in-Matrix-Gesteine  126 Blöcke  124 Boden  11 –– Beschreibung  124, 225 –– eingebettete Bauwerke  274 –– Fremdbestandteile  427–428, 432 –– Frostempfindlichkeit  424 –– gemischtkörnig  126 –– gemischtkörniger  91 –– Luftdurchlässigkeitsbeiwert  609 –– organischer  53, 90, 115, 127, 458 –– organogener  28, 127 –– überkonsolidierter  51 –– vorbelasteter  52 –– Wellenausbreitung  307 Boden- und Felsklasse  128, 402 –– für Bohrarbeiten  133 –– für Erdarbeiten  131 bodenähnliche Anwendung  431 Bodenart  16, 126, 237, 407 Bodenaushub  428 Bodenaustausch  313, 411, 466, 504 Bodenaustauschmaterial  313 Bodenbewehrung mit vielfaserigem Endlosgarn  444 Bodendenkmal  350 Bodenerschütterung –– Maßnahmen  309 Bodenfeuchte  374 Bodenfrost  473 Bodengas  207 –– geogenes  199 Bodengruppe  124 Bodenklassifizierung  124, 126 Bodenkontamination  207 Bodenmischsäule  316 Bodennagel  355 Bodenprobe  11, 207, 212 –– Güteklasse  207 –– ungestörte  207 –– Untersuchung  380 Bodenschatz –– bergfreier  808 Bodenschutz- und Altlastenverordnung  430 Bodensteifigkeit  49 Bodenverbesserung  417 –– mit Kalk  419 –– qualifizierte  411, 420 Bodenvereisung  717 Bodenverfestigung  417, 419, 425 Bodenverflüssigung  190

Bodenvernagelung  356, 444 Bohrabstand  585 Bohrarbeit –– Ausschreibung  210 –– für Erdwärmesonde  794 Bohrbarkeit  617 Bohrbrunnen  391 Bohren –– Ankerlöcher  702 –– Sprenglöcher  702 Bohrkern –– orientierter  215 Bohrkernaufnahme –– strukturelle  230 Bohrkernfoto  231 Bohrlochabweichung  363 Bohrlochaufweitungsversuch  58 Bohrlochfernsehen –– akustisches  242 Bohrlochfernsehsonde  147 Bohrlochgeophysik  589 Bohrlochinstabilität  211, 805 Bohrlochmessverfahren  237 Bohrlochpreventer  232, 587 Bohrlochscanner  241 Bohrlochtomographie  194 Bohrlochverfüllung  808 Bohrlochwand-Scanner  147 Bohrlochwandausbruch  66 Bohrlochwasserstand  101 Bohrparameter  211 Bohrpfahl  344 –– normalkalibriger  345 Bohrpfahlwand  354, 358 Bohrung  481 –– Richtungsabweichung  239 Bohrverfahren  211 Bohrwasserstandsdiagramm  594 Böschung  436 –– im Fels  439 –– in Erdenbetrieben  452 –– in Steinebetrieben  452 –– Standfestigkeit  436 –– Wasseraustritt  448 Böschungsabflachung  443 Böschungsbruch  457 Böschungshöhe  436 Böschungsneigung  350, 436–438, 440, 449 Böschungsrutschung  489 Braunkohlentiefbau  561 Braunkohletagebau  565 Bruch –– progressiver  501, 662 brüchiger Fels  404 Bruchkörper –– wahrscheinlicher  499 –– wenig wahrscheinlicher  499

bruchmechanisches Modell  278 Brunnen –– unvollkommener  106, 392, 398 –– vollkommener  392, 398 Brunnenbohrung  393 Brunnendämmer  233 Brunnenfilter  23, 392 Brustkeil  706 Bundes-Immissionsschutzgesetz  306 Bundesberggesetz  808 Bundesbodenschutz- und Altlastenverordnung  535 Bundesbodenschutzgesetz  535

C Calcit  27 California Bearing Ratio  57 Carbon Capture and Storage  553 Casagrande-Knick  52 CBR (California Bearing Ratio)  57 CBR-Versuch  57 CBR-Wert  57 CCS (Carbon Capture and Storage)  553 Cerchar-Abrasivitäts-Index  619, 686 Cerchar-Abrasivitäts-Test  619 Charakterisierung einer Störungszone  161 charakteristische Öffnungsweite  422 charakteristischer axialer Pfahlwiderstand  334 charakteristischer Gebirgskennwert  616 charakteristischer Wert  254, 280 charakteristischer Widerstand  330 chemische Verwitterung  140 Chemismus des Grundwassers  574 Chlorid  383 –– Löslichkeit  765 Chloridkarst  765 chlorierter Kohlenwasserstoff  537 Chlorit  25 CID-Versuch  83 CIU-Versuch  83 Clay-Smear-Prozess  540 Corrensit  78 Counter-flash-Bohrverfahren  215

D Damm –– homogener  736 –– Überhöhen  463

883 Stichwortverzeichnis

Dammaufstandfläche  415, 737 Dammbaustoff  406 Dämmer  321 Dammschulter –– Verdichtung  415 Dammschüttmaterial  735 Dammuntergrund –– Tragfähigkeit  456 Darcy  97 DAUB-Empfehlung  581 Daueranker  362, 708 dauernder Wasseranfall  596, 598 Deckelbauweise  678 Deep-Soil-Mixing-Verfahren  317 Deformationsschlitz  705 Denkmalschutzgesetz  350 Deponiegas  572 Deponieklasse  434 Detonationswirkung einer Sprengladung  405 Deutsches Seismologisches Regionalnetz  181 dezentrale Regenwasserversickerung  376 Diamantbohrkrone  215 Dibenzodioxin –– polychloriertes  538 Dichte  33, 35 Dichtigkeitsklasse  603 Dichtsohle  389 Dichtungsbahn  420 Dichtungselement –– horizontales  740 Dichtungssohle –– durch Niederdruckinjektion  360 –– mittels Unterwasserbeton  360 –– tiefliegende  361 Dichtungswand –– vertikale  741 Dichtwand  358 Dichtwandmasse  358 Differenzbewegung  566 Diffusion  542 Diffusionskoeffizient  542 digitales Geländemodell  192, 476, 479, 768, 774 Dioxin  538, 545 Direct Pipe  700 Dispersion  541 Divergenz  656 Dokumentation –– ingenieurgeologische  696 –– von Rutschungen  479 Doline  751 Dolomit  27 –– Löslichkeit  752

Doppelschildmaschine  685 Dränelement –– geotextiles  421 Dränsystem  604 Dränung von Bauwerken  374 Dränwirkung des Tunnels  604 Drehbohrung  217 Drehschlagbohren –– hydrauliches  702 dreiaxiale Druckfestigkeit  71 Dreischichtmineral  24 Driften  493 Druck  44 drückendes Wasser  374–375 Druckfestigkeit  45, 71, 336 –– dreixiale  71 –– einaxiale  67, 69, 71, 618 –– Gesteine  69 –– verwitterungsbeständige Festgesteine  140 druckhaftes Gebirge  646, 670–671, 684 Druckkissen  65 Druckluft  608 Druckrohranker  365 Drucksäuerung  800 Drucksondierung  335 Druckspannung –– einaxiale  67 Druckzwiebel  265 Dublette  800 Dükeranlage  400 durchflussnutzbares Kluftvolumen  98 durchflusswirksamer Porenanteil  36 durchflusswirksames Karstvolumen  98 durchflusswirksames Kluftvolumen  98 Durchlässigkeit  95 –– Anisotropie  115 –– Gebirge  115 –– Karstgebirge  116 –– Körnungslinie  100 –– Lockergestein  114 –– ungesättigte Zone  95 –– Untergrund  723 Durchlässigkeitsbeiwert  95, 99, 112, 391 Durchmesser –– Grundwassermessstelle  234 –– Kernrohr  213 Durchsickerung  738 Durchströmungsversuch  99 Durchtrennungsgrad  150 Durchwurzelungskohäsion  448 Düsenstrahlverfahren  324–325, 359 dynamische Einwirkung  271

C–E

dynamische Intensivverdichtung  317, 529 dynamischer Plattendruckversuch  411, 413 dynamisches Elastizitätsmodul  53

E ebene Gleitfläche  492 ECRIS (westeuropäisches Riftsystem)  170 effektive Scherfestigkeit  81 Eifelvulkanismus  173 Eigenkonsolidation der Dammschüttung  460, 737 Eigenschaft eines Sprengstoffs  406 Eigensetzung  427 Ein-Drittel-Regel  423 einaxiale Druckfestigkeit  67, 69, 71 einaxiale Druckspannung  67 einaxiale Gesteinsdruckfestigkeit  618 Einbau –– eingeschränkter  432 –– eingeschränkter offener  432 –– uneingeschränkter  431 Einbaufähigkeit von Fels  408 Einbauklasse  431 Einbringverfahren  353 Einbruchschutzkonstruktion  782 Einbruchsschlot  766 –– des tiefen Salinarkarstes  516 –– fossiler  766, 769 Einflusskreis  270 Einflusswert  269 eingeschränkt günstiges Gebiet  810 eingeschränkter Einbau mit definierten technischen Sicherungsmaßnahmen  432 eingeschränkter offener Einbau  432 Einlage von Geogittern  458 Einlochpumpversuch  105 Einphasenverfahren  358 Einsatzmöglichkeit der TVM  684 einschaliger Spritzbetonausbau  676 Einschlämmen von Feinkorn  375 Einschwingversuch  112 Eintrittswahrscheinlichkeit  488, 774 Einwirkung  250, 253 –– auf den Tunnel  666 –– aus dem Verkehr  459 –– dynamische  271 –– horizontale  329, 338 Einzelbrunnen –– Fassungsvermögen  397 Einzelbrunnenformel  104

884

Stichwortverzeichnis

Eisenerzgrube Konrad  552 eiszeitliche Permafrostzeit  473 Elastizitätsmodul  45, 48 –– dynamisches  53 elektrische Leitfähigkeit  235 elektroosmotische Entwässerung  396 Endlager –– für schwachaktive Abfälle  551 –– hochaktive Abfälle  552 –– mittelaktive Abfälle  551 Energiepfahl  329, 798 Entlastungshebung  427 Entlastungsmodul  51, 53, 58 Entlastungsverformung  286, 436 Entnahme –– Erdgas  303 –– Erdöl  303 –– Grundwasserprobe  235 Entsorgungskonzept in Deutschland  548 Entspannungseffekt  350 Entspannungsmaßnahme  738 Entstehung der Klüfte  144 Entwässerung –– elektroosmotische  396 Entwässerungsbohrung  289, 356 Entwässerungsstollen  506, 601 Entwicklung des Porenwasserdrucks  501 Entzugsleistung  808 –– spezifische  791 EPB-Schild  690 Erdarbeiten  402 Erdbau –– klassische Arbeitsvorgänge  403 –– Materialklassifizierung  402 Erdbaurichtlinien der DB AG  411 Erdbauwerk  402 Erdbeben  180, 183, 471 –– induziertes  183–184 Erdbebeneinwirkung  180, 188 –– Bemessung  189 Erdbebengebiete Europas  188 Erdbebenkatalog  181 Erdbebenzone  189 Erdbetonstützscheibe  505 Erddammzone  402 Erddruck  274 –– aktiver  274–275 –– auf die Widerlagerwand  416 –– passiver  274 –– Verteilung  276 Erddruckart  274 Erddruckbeiwert  276 Erddruckberechnung  276 Erddruckschild  693 Erde

–– geokunststoffbewehrte  458 Erdfall  751, 760, 771, 778 –– Randbereich  779 –– über Salzstöcken  762 –– Verfüllung  781 Erdfalldaten  774 Erdfalldurchmesser  780 Erdfallgebiet  761 –– Straßenbau  779 Erdfallpegel  784 Erdgas –– Entnahme  303 Erdgasförderung  185 Erdgaslagerstätte –– unkonventionelle  571 Erdkörper –– geokunststoffbewehrter  464 Erdöl –– Entnahme  303 Erdplanum –– Tragfähigkeit  412 Erdruhedruck  274 Erdstrom  494 Erdtemperatur  787 Erdwärme  786 Erdwärmebrunnen  797 Erdwärmekollektor  796 Erdwärmekorb  797 Erdwärmesonde  792, 809 –– Bohrarbeiten  794 –– geschlossene  793 –– tiefe  800 Erdwärmesonden-Schadensfall von Staufen  804 Ereignisdokumentation  481 Erkennen von Störungszonen  228 Erkundung –– geophysikalische  193 –– tektonischer Störungszone  158 Erkundungsbergwerk Gorleben  552 Erkundungsbohrung aus dem Vortrieb  587 Erkundungsmethoden  176 Erkundungsstollen  209, 587, 723 Erlaubnis  203, 388 –– wasserrechtliche  809 Erosion  19, 264, 390, 446, 723, 728, 771 Erosionsgefahr  96 Erosionsschutz  443 Erosionsschutzmatte  447 Ersatz-Belastungsannahme  670 Erschütterung  305, 353, 474 –– Wahrnehmung  308 Erschütterungsimmission  406 Erstarrungsbeschleuniger  602 Ertüchtigung des Gebirges  593

erweichbare Gesteine  730 Eurocode  4 Euronorm  3 Europäische Makroseismische Skala (EMS-98)  180 Ev2-Modul des statischen Plattendruckversuchs  410 Evaporation  120 Evd-Modul aus dem Plattendruckversuch  413 Expansionsharz  322 Explosionsgrenze  611 Expositionsabhängigkeit  473 Expositionsklasse  383 Extensometer  657

F Fallen  489 Fallkegelversuch  84 Fallplatte  317 Fassungsvermögen eines Einzelbrunnens  397 Feinbindemittel  318 Feinkorn –– Einschlämmen  375 Feinnivellement  783 Feinstbindemittel  318 Feldkapazität  120 Feldparameter  235 Feldversuche –– k-Wert-Ermittlung  100 Fels  134 –– Beschreibung  134 –– brüchiger  404 –– Einbaufähigkeit  408 –– fester  404 –– inhomogener  11 –– mittelfester  404 –– Verdichten  409 Felsanker  369 Felsart  237 Felsböschung  440, 442 –– Profilieren  442 –– Standsicherheit  284 Felsgleitung  513 Felsnagel  362 Felsoberfläche  194 Felssturz  490, 512–513, 523 felssturzartige Großrutschung  513 felssturzartige Rutschung  490 Felssturzereignis  501 fernerkundliches Messverfahren  483 Fernerkundungsmethode  784 Fertigpfahl  329, 342

885 Stichwortverzeichnis

Feste Fahrbahn  426 fester Fels  404 Festgestein  11, 139 –– Druckfestigkeit  140 –– Frostempfindlichkeit  424 –– verwitterungsbeständiges  140 –– Zugfestigkeit  75 Festgesteinsprobe  208 Festigkeit  45 –– Gesteine  67, 136, 229 –– Kreide  409 Feststoffdichte  33 Feststoffinjektion  318 Feuerlette  521 Filter –– geotextiler  22 Filterfeingewebe  392 Filterfestigkeit  739 Filtergeschwindigkeit  96 Filtergesetz von Darcy  95 Filterkies  18, 23, 392 Filtermaterial  22 Filterregel  21 Filterrohr  391 Filtersand  23 Filterstabilität  20, 729 filtertechnischer Problemboden  20 Filtervlies  22 Finite-Element-Methode  674 Firstablösung  645 Firstsicherung  712 Firststollenvortrieb  680 Flachbrunnen  392 flache Tertiärrutschung  524 flächendeckende dynamische Verdichtungskontrolle  414 Flächengründung  292 Fließen  48, 494 –– laminares  97 Fließgeschwindigkeit  117, 729 –– wahre  96 Fließgrenze  40 Fließrichtung  118 Fließrutschung  439 Fließsand  391 Fließzeit  118 Flowback  574 Flowmetermessung  112 Flözgas  571–572 Flügelscherversuch  223 Flügelsondierung  84 Fluid-Logging-Verfahren  108 Flüssigboden  321 flüssigkeitsinduzierte Seismizität  731 Flusswasserstand  373 Flutungswasser –– Beschaffenheit  568

fossile Rutschung  486, 734 fossiler Einbruchsschlot  766, 769 Fracking  573 Fracking-Gesetz  575 Fräs-Misch-Injektionsverfahren  465, 505 Fräsbarkeit des Gebirges  681 Frosteinwirkungszone  424 Frostempfindlichkeit –– Boden  424 –– Festgestein  424 Frostempfindlichkeitsklasse  424 frostfreie Gründungstiefe  292 Frostschutzmaterial  18 Frostschutzschicht  425 Frostwirkung  423 frühneuzeitliches Rutschungsereigniss  487 Fugenband  312 Fuller-Kurve  38 Füllstoff  742 Fundament –– starres  266 Fundamentart  292 Fündigkeitsrisiko  804 Furan  538 Fußaufweitung  343, 346 Fußverpressung  347

G Gammastrahlen  547 Gas –– aus Deponien  201 –– biogenes  200 –– radiogenes  200 –– thermogenes  200 Gasaustritt  810 –– im Gebirge  611 gasführendes Thermalwasser  801 geändertes Gebirgsverhalten  643 Gebiet –– eingeschränkt günstiges  810 –– hydrogeologisch günstiges  810 –– problematisches  810 Gebirge –– anhydritführendes  804 –– druckhaftes  646, 671, 684 –– Ertüchtigung  593 –– Fräsbarkeit  681 –– Gasaustritt  611 –– gebräches  670 –– nachbrüchiges  670, 684 –– Spannungszustand  556 –– Standfestigkeit  644, 670

F–G

–– Tragverhalten  644, 662 –– Wärmeaustauschfähigkeit  790 –– Wasserführung  482 –– Zerlegungsgrad  150 –– Zugfestigkeit  779 Gebirgsart  633 Gebirgsauflockerung  473, 513 –– oberflächenbedingte  151 –– tektonisch bedingte  151, 159, 168, 295, 643, 672, 728 Gebirgsbelastungsverfahren  64 Gebirgsdruck  646, 648 Gebirgsdruckanteil –– horizontal wirkender  672 Gebirgsdruckfestigkeit (Siehe auch Druckfestigkeit)  74 Gebirgsdurchlässigkeit  97, 540, 594, 802 –– normierte  106 –– Zone  540 Gebirgsentlastungsverfahren  63 Gebirgsfestigkeit  616 Gebirgskennwert  616 –– charakteristischer  616 Gebirgsklasse  637, 704 Gebirgsklassifizierung  625, 627 Gebirgsqualität  631 Gebirgsscherfestigkeit  286 Gebirgstragring  662 Gebirgstyp  626 Gebirgsverformung  688 –– voreilende  659 Gebirgsverhalten –– geändertes  643 Gebirgsverhaltenstyp  634 Gebirgszugfestigkeit  75 geböschte Baugrube  350 gebräches Gebirge  670 gebrannter Kalk  418 Gebrauchstauglichkeit –– Grenzzustand  277 gedräntes System  604 gedräntes Tunnelsystem  610 Gefährdung  510 Gefährdungsgrad  773 Gefährdungsklasse  773 Gefährdungszone  589 Gefahrenbeurteilung  510 Gefahrenhinweiskarte  178, 477 Gefahrenpotenzial  572 Gefahrenzonenkarte  477 gefährlicher Abfall  434 Gefälle –– hydraulisches  96, 287, 729 Gefriervorgang  718 Gefüge  138 Geländebruch  277

886

Stichwortverzeichnis

Geländeform –– unruhige  478 Geländehebung  568 Geländemodell –– digitales  192, 476, 479, 768, 774 Geländesenkung  569 gemischtkörniger Boden  91 Genauigkeit einer Setzungsberechnung  271 geodynamische Bewegung  163 Geoelektrik  481, 556 geoelektrische Tomographie  197 geoelektrische Widerstandsmessung  196 geoelektrisches Verfahren  776 geogene Grundbelastung  535, 614 geogenes Bodengas  199 Geogitter  420, 458 –– bewehrende Wirkung  422 Geogitter-Verbundkonstruktion  782 geographisches Informationssystem  476 Geoinformationssystem  180 Geokunststoff  420–421 geokunststoffbewehrte Erde  458 geokunststoffbewehrte Erdkörper  464 Geokunststoffbewehrung  458, 464, 559 geokunststoffummantelte SandMineral-Stopfsäule  315 geokunststoffummantelte Säule  465 geologische Barriere  538, 549 geologische Karte  178, 476 geologische Vorbelastung  62 geologisches Risiko  804 geologisches Tiefenlager  548 Geophon  784 Geophysik  591 geophysikalische Erkundung  193 geophysikalische Oberflächenmessung  775 Georadar  556 geosynthetische Tondichtung  422 geosynthetische Tondichtungsbahnen  416 geotechnische Kategorie  277 geotechnische Messung  655 geotechnischer Bericht  5, 176 geotechnischer Kennwert  615 geotextiler Filter  22 geotextiles Dränelement  421 Geotextilie  420 Geotextilmessmatte –– optoelektronische  784 Geotextilrobustheitsklasse  421 Geothermal Radial Drillings  796

Geothermal-Response-Test  790 Geothermiebohrung  800, 805 Geothermiekraftwerk  801–804 Geothermieprojekt  185 geothermische Heizzentrale  801 geothermische Seismizität  804 geothermischer Gradient  787 Geothermisches Informationssystem  792 Geozelle  447 Geröllstromrutschung  492, 494 Gesamthärte  380 Gesamtporosität  36–37 Gesamtreibungswinkel  91 Gesamtwasserabfluss eines Tunnels  598 gesättigte Zone  541 Geschiebemergel  53, 171, 530 geschlossene Erdwärmesonde  793 geschlossene TBM  689 geschlossener Modus  693 Gesetz –– von Hook  48, 265 –– von Stokes  13 gespanntes Grundwasser  232 gespanntes Grundwasserstockwerk  806 Gestein  134–135 –– Abrasivität  618 –– asbesthaltiges  614 –– Beschreibung  134–135 –– Druckfestigkeit  69 –– erweichbares  730 –– Festigkeit  67, 136, 229 –– grenzwertiges  409 –– Härte  136 –– inkompetentes  138 –– kompetentes  138 –– Kornbindung  142 –– Korngefüge  138 –– rutschungsanfälliges  470 –– veränderlich festes  69, 92, 139 –– Verbreiungsanfälligkeit  623 –– verkarstungsfähiges  733 –– vulkanisches  526 –– Wärmeleitfähigkeit  789 –– Zersetzung  580 gesteinsbildendes Mineral  135 Gesteinsdruckfestigkeit Siehe Druckfestigkeit  71 Gesteinsdurchlässigkeit  97 Gesteinspermeabilität  97 Gewässerbenutzung  388 Gewebe  420 Gips  29, 755 –– Ausbildung  757 –– Löslichkeit  756

–– Unterscheidung von Anhydrit  755 Gipsersatzverfahren  34 Gipsspiegel  757 glasfaserverstärkter Kunststoffanker  710 Gleisschotter  19, 428 Gleiten  491 Gleitfestigkeit  80 Gleitfläche  508 –– ebene  492 –– kreisförmige  282 –– schalenförmige  492 –– Tiefenlage  482 Gleitflächenwinkel  276 Gleitkreisuntersuchung  456–457 Gleitsicherheit  259 Gleitungskluft  145 Gleitvorgang  286 Gletscher –– Rückzug  473, 487 Glimmerbelag  92 Glimmermineral  613 Global Positioning System  484 Glühverlust  28 GOCA-System  511 GPS-System  484 Grabenbruch –– saxonischer  169, 515 grabenlose Vortriebstechnik  698 Grabensystem  157 Gradient –– geothermischer  787 –– hydraulicher  21, 263 gravitative Naturgefahr  469 Grenzmantelreibung  337, 367 Grenzsteinnachvermessung  478 Grenzwassermenge  597 grenzwertige Gesteine  409 Grenzwinkel  557 Grenzzustand –– Gebrauchstauglichkeit  253, 268, 277 –– Tragfähigkeit  253 Gripper-TBM  684 Grobpore  541 Großbohrpfahl  346 Großdübel  507 Großerdfall  761, 769 Großhangbewegung  497 Großkluft  144–145 Großrutschung –– felssturzartige  513 Großscherversuch  86 Großschollenrutschung  517, 519 Grubengas  572 Grubenwasseranstieg  567

887 Stichwortverzeichnis

Grundbelastung –– geogene  535, 614 Grundbruch –– des Kalottenfußauflagers  666 –– hydraulischer  262–263 Grundbruchsicherheit  264, 456 Grundgebirge –– kristallines  165 Grundgleichung für eine Setzungsberechnung  268 Gründung –– auf Fels  294 –– von Staumauern  735 Gründungspolster  422 –– bewehrtes  314 Gründungstiefe –– frostfreie  292 Grundwasser  116 –– aggressives  331 –– Beschaffenheit  389 –– betonaggressives  325, 365 –– Chemismus  574 –– gespanntes  232 –– Kohlensäuregehalt  382 –– Schutz  602 –– Wiederanstieg  372, 567 Grundwasserabsenkung  302–303, 388, 564–565 –– äußere  396 –– Auswirkung  610 –– Berechnung  396, 608 –– mit Brunnen  391 –– Reichweite  392, 397, 599 –– Wirkung, Rückgängigmachen  611 Grundwasseranfall  599 Grundwasseranstieg  569 Grundwasserbewegung  116 Grundwasserfließrichtung  599 Grundwassergefälle  100 Grundwassergleichenkarte  723 Grundwasserhaltung  570 Grundwasserkommunik­ ationsanlage  399 Grundwasserleiter  114 Grundwassermanagement  388 Grundwassermessstelle  102, 233, 372, 378, 594, 723 –– Durchmesser  234 Grundwasserneubildung  121 Grundwasserneubildungsrate  598 Grundwasseroberfläche –– Absenkung Siehe Grundwassersenkung  302 –– Wiederanstieg  302 Grundwasserprobe –– Entnahme  235 Grundwasserschwankungsbereich  231

Grundwasserstand  231, 372, 594 Grundwasserstauer  116 Grundwasserstockwerk  116, 606 –– gespanntes  806 Grundwasserströmung  287 Grundwasserströmungsmodell  596 Grundwassertemperatur  235, 786 Grundwasserverordnung  204, 535 GSI-Index  632 Güteklasse von Bodenproben  207

H Haftwasser  30 Halbfestgestein  139, 336 halboffener Modus  693 Halde  439, 456 halokinetische Hebung  163 Hang –– Abholzung  473 –– instabiler  508, 734 –– von Stauräumen  497 Hangrutschung  489 Hangschub  508 Hangschuttmasse  530 Hangsickerstrang  506 Hangstabilitätskarte  477 Hangzerreißung  59, 152, 644 Hangzerreißungskluft  149, 728 Harnisch  142, 146, 148 Harnischstriemung  159 Härte –– Gestein  136 –– Mineral  135 Härtegrad  380 Härteskala von Mohs  136 Hartgel  321 Hartgestein  136, 551 –– Zerfallserscheinung  140 Hartgesteins-TBM  685 Hartgesteinsmaschine  687 Hartmetallbohrkrone  215 Harz  168 Haufwerksstückigkeit  406 Hauptdaten einer Talsperre  720 Hauptnormalspannung  44 Hauptphase verstärkter Verkarstung  748 Hauptuntersuchung  721 Hebung  249 –– deutsche Mittelgebirge  173 –– Geländeoberfläche  755 –– halokinetische  163 Hebungsinjektion  322, 716, 781 Heilquellenschutzgebiet  809

G–H

heißes Tiefenwasser  800 Heizzentrale –– geothermische  801 Herausziehwiderstand  338, 367 Herdmauer  741 Hindernisbaugrube  699 Hinterfüllungsbereich eines Bauwerks  415 Hintergrundstrahlung –– natürliche radioaktive  201 Hintergrundwert  204 hochaktiver Abfall  548 hochauflösende Reflexionsseismik  195 Höchstwassermenge  597 Hochwasserrückhaltebecken  720, 733 Hohenzollerngraben  164, 187 Höhlensystem  749 Hohlschneckenbohrverfahren  217 Holzpfahl  342 Homogenbereich  129–130, 134, 404, 615, 665 homogener Damm  736 Hook´sches Gesetz  48, 265 Horizont –– verkarstungsanfälliger  748 horizontal wirkender Gebirgsdruckanteil  672 Horizontalbohrtechnik  362, 700 Horizontalbrunnen –– unvollkommener  597 Horizontaldränung  506 horizontale Einwirkung  329, 338 horizontale Restspannung  436 horizontaler Spannungsüberschuss  350 horizontales Dichtungselement  740 Horizontalspannungsüberschuss  62, 647 Horizontalverformung  459 Horizontalverformungsanteil  660 Horizontalverschiebung  158, 168 –– konjugierte Scherbruchstruktur  156 Hot-Dry-Rock-Verfahren  802 Huminsäure  383 Humusverzehr  53 Hybridseismik  776 Hydration  78 –– von Anhydrit  304, 650 Hydrationsprozess  755 Hydrationswasser  29 hydraulic fracturing  64, 66, 573, 802 Hydraulic-Fracturing-Verfahren  322 hydraulische Bemessung  374 hydraulische Instabilität  19, 390 hydraulische Leitfähigkeit  95

888

Stichwortverzeichnis

hydraulische Simulation  573 hydraulischer Gradient  21, 263 hydraulischer Grundbruch  262–263 hydraulischer Pressrohrpfahl  348 hydraulischer Sicherheitsfall  22 hydraulisches Bindemittel  318 –– Verfestigung  412 hydraulisches Drehschlagbohren  702 hydraulisches Gefälle  96, 287, 729 hydrodynamische Instabilität  729 hydrogeologisch günstiges Gebiet  810 hydrogeologische Quellkartierung  192 hydrogeologischer Längsschnitt  598 hydrologische Jahre  372 hydrophobierter Zement  419 hydrothermale Verwitterung  140 hydrothermales System  800

I Illit  24 Imlochhammer  217 immobiles Porenwasser  29 Impedanz –– akustische  37, 70 In-situ-Penetrationsversuch  687 Indexversuch  12 indirektes Aufschlussverfahren  217 induzierte Seismizität  574, 730, 801 induziertes Erdbeben  183–184 Infiltrometerversuch  107 Informationssystem –– geographisches  476 ingenieurgeologische Dokumentation  696 ingenieurgeologische Karte  178 ingenieurgeologische Tunnelkartierung  637–638, 642 inhärenter Parameter  11 Inhibitor  603 inhomogener Fels  11 Injektion  318, 715 Injektionsanker  709 Injektionsbohranker  709 Injektionsbohrung  319 –– Richtungsgenauigkeit  743 Injektionsdruck  744 Injektionsmittel  614 –– Umweltverträglichkeit  322 Injektionsschleier  741 Injektionsspieß  713 Injektionstechnik  715 Injektionsversuch  746 Injektionsvorgang  743

Injizierbarkeit –– Fels  320 –– Lockergestein  320 Inklinometer  657 Inkohlungsvorgang  571 inkompetente Gesteine  138 Innenschale  676 innerkristalline Quellung  76 instabile Ortsbrust  706 instabile Talflanke  495 instabiler Hang  508, 734 Instabilität –– hydraulische  19, 390 –– hydrodynamische  729 instrumentiertes Bohren  212 Intensität  180 Intensivverdichtung  465 –– dynamische  317, 529 Inversionstektonik  169 irreguläre Auslaugung  768

J Jahre –– hydrologische  372 Jahresarbeitszahl  796 jahreszeitliche Volumenänderung –– Zone  292 Jahrhunderthochwasser  373

K Kakirit  160 Kaliumchlorid  765 Kaliumpermanganat-Verbrauch  383 Kalk –– Bodenverbesserung  419 –– gebrannter  418 Kalkgehalt  27 Kalkhydrat  418 Kalklösekapazität  382 kalklösende Kohlensäure  382 Kalkstein –– als Betonzuschlag  383 –– Löslichkeit  752 Kalksteineinlagerung  733 Kalksteinkarst  755 Kalkzugabe  419 Kalottenausbruch  679 Kalottenfußpfahl  707 Kalottenfußverbreiterung  707 Kalottensohlgewölbe  707 Kälteträger  717

Kamerabefahrung  777 Kampfmittelräumdienst  206 Kaolinit  24 kapillare Steighöhe  118 Kapillarität  118 Karbonathärte  380 Karbonatkarst  752 Karst  750 –– bedeckter  750 –– nackter  750 Karstgebiet  733 Karstgefährdungskarte  775 Karststruktur  589 Karstvolumen –– durchflußwirksames  98 Karstwasserspiegel  590, 750, 778 Karte –– geologische  178, 476 –– topographische  476 Kataklasit  160 Kategorie –– geotechnische  176, 277 Kationenaustauschkapazität  543 Kennbuchstabe  126 Kennwert –– der geothermischen Eigenschaften  788 –– geotechnischer  615 Kennwertliste  129 kennzeichnender Punkt  272 Kernmarschlänge  215 Kernmaterial –– Qualität  228 Kernrohr –– Durchmesser  213 Kernverlust  231 Kippen  491 Kippenböschung  439, 528–529 Kippsicherheit  260 Kippvorgang  287 Kippwinkel  287 klaffende Sohlfuge  257 Klassifikation –– Boden  124 –– der Gesteine nach der Druckfestigkeit  71 –– Fels  124 –– Klüfte  144 Klassifizierungssystem –– qualitatives  625 –– quantitatives  628 klassischer Arbeitsvorgang –– im Erdbau  403 Klebeanker  709 Klei  128 Kleindübel  507 Kleine Eiszeit  487

889 Stichwortverzeichnis

kleinkalibriger Pfahl  347 Kleinkluft  145 Kleinstpumpe  378 Kluft  142 –– Aufmaß  146 –– Entstehung  144 –– Klassifikation  144 –– Streichrichtung  152 Kluftabstand  148 Kluftauswertung –– statische  146 Kluftfüllung  149 Kluftgrundwasserleiter  115 Klüftigkeitsziffer  148 Kluftkörperform  150 Kluftkörpergröße  150 Kluftrose  152 Kluftvolumen  150 –– durchflussnutzbares  98 –– durchflusswirksames  98 Kluftwasserdruck  288, 440, 472 Knollenmergel  520 Knollenmergelrutschung  520 Kohäsion  80, 89 –– scheinbare  89 Kohlendioxid  200, 381, 552, 611, 752 –– Speicherung  553–554 Kohlendioxid-Speichergesetz  554 Kohlensäure  381 –– kalklösende  382 Kohlensäuregehalt des Grundwassers  382 Kohlenwasserstoff –– chlorierter  537 –– leichtflüchtiger aromatischer  537 –– polycyclischer aromatischer  428, 537 –– unchlorierter  537 Kolmation  20 Kombinationsbeiwert  255 Kombinationsbrunnen  394, 606 kombinierte PfahlPlattengründung  329 kombinierte Rutschung  493 Kompass –– magnetische Missweisung  638 kompetente Gesteine  138 komplexe Rutschung  497 Kompression  49 Kompressionsbeiwert  50, 53, 270 Kompressionsversuch  49 –– triaxialer  82 Kompressionswelle  305 Kompressionswellengesch­ windigkeit  631 Konditionierungsmittel  690 Konfluenzstruktur  156

konjugierte Scherbruchstruktur –– mit Horizontalverschiebung  156 Konsistenz  222 Konsistenzbalken –– von Atterberg  43 Konsistenzgrenze nach Atterberg  40 Konsistenzzahl  43 Konsolidation  55 Konsolidationsbeiwert  50 Konsolidationssetzung  55 Kontaktscherfestigkeit  80 kontaminiertes Wasser  389 Kontinentaldrift  181 Kontraktorrohr  345 Kontraktorverfahren  355 kontrollierte Schüttung  462 konventioneller bergmännischer Vortrieb  678 konventioneller Tunnelvortrieb  701 Konvergenz  656 Kornbindung –– Gestein  142 –– mineralische  137 Korndichte  32–33 Kornform  16 Korngefüge eines Gesteins  138 Korngröße  13 Körnigkeit  138 Kornkennziffer  15 Körnungslinie  15 –– Durchlässigkeit  100 Kornverteilung  13 Korrosionsschutz  356 kosmische Strahlung  201 Kraft  44 Krafteintragungsstrecke  363, 369 Kreide –– Festigkeit  409 Kreideküste der Insel Rügen  523 kreisförmige Gleitfläche  282 Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz  427 Kreisringscherversuch  81 Kriechbeiwert  50 Kriechbewegung  488 –– von Schuttmassen  495 Kriechdruck  500 Kriechen  495, 500 Kriechhang  734 kristalline Quellung  24 kristallines Grundgebirge  165 Kristallisationsdruck  304 kritische Schichtneigung  439 Krümmungsradius  296, 780 Krümmungszahl  16 Kunststoffanker –– glasfaserverstärkter  710

I–L

Kunststoffdichtungsbahn  376, 422, 605, 740 Kurzanker  361, 708 Kurzpumpversuch  104, 378, 392 Kurzzeichen  124 Kurzzeichen der Boden- und Felsarten  237 Kurzzeitanker  362

L LAGA-M 20  430–431 LAGA-Mitteilung 20  427 Lagenkugel  147, 152 Lagerstättendruck –– Abminderung  303 Lagerstättengesetz  808 Lagerungsdichte  36, 38, 40, 218, 222, 226 –– bezogene  38, 40 Lamellenverfahren  282 laminares Fließen  97 Landoberfläche –– alte  470 Landschaftsschutzgebiet  205 Längenänderung  780 Längsschnitt –– hydrogeologischer  598 Langzeitverwahrung  548 Laserscan-Befliegung  479 Laserscan-Technik  768 Laserscanner –– terrestrischer  484 Laserscanning-Verfahren  192 LCPC-Abrasionskoeffizient  621 lebend bewehrte Erde  447 Leckagewassermenge  357 Leerlaufverhalten  597 Lehmdecke  740 leichtflüchtiger aromatischer Kohlenwasserstoff  537 Leitfähigkeit –– elektrische  235 –– hydraulische  95 LIDAR (Laserscanning-Verfahren)  192 LIDAR-Daten  484 Lieferkörnung  17 Liner  217 Linienlast  258 Liquefaktion  731 Liquiditätszahl  44 Lithosphärenplatte  152 Litzenanker  364 Lockergestein –– Abrasivität  620

890

Stichwortverzeichnis

–– Durchlässigkeit  114 –– Zugfestigkeit  74 Lockergesteinsanker  367 lockergesteinsartiges Gebirge –– Wasserhaltung  606 Lockersediment –– nichtbindiges, Suffosion  771 Logging-Verfahren  240 Longitudinalwelle  193, 305 Lösbarkeit –– mechanische  617 Lösen –– von Boden  403 –– von Fels  403 Löslichkeit –– Chlorid  765 –– Dolomit  752 –– Gips  756 –– Kalkstein  752 Löss  54, 273, 452 Lössbrunnen  772 Lösskeller  772 Lösssubrosion  771 Luftbildauswertung  192, 589 Luftdurchlässigkeitsbeiwert der Böden  609 Lufthebebohrverfahren  217 Lugeon-Kriterium  725 Lugeon-Wert  741

M Magmatite  135 Magnesium  382 magnetische Missweisung des Kompasses  638 Magnitude  181 Mantelreibung  219, 221 –– negative  340 Mantelreibungswert  367 Mantelverpressung  347 Markierungsversuch  117 Maschinendurchmesser  694 Maschinenparameter  695 Maschinentyp  689 Maßnahme –– gegen Bodenerschütterungen  309 –– untergrundverbessernde  781 Massenabtrag  504 Massenausgleich  403 Massenverlagerung  469 Materialbewirtschaftungskonzept  613 Materialklassifizierung –– Erdarbeiten  133 –– Erdbau  402

Mauerwerksrestmasse  428 mechanische Lösbarkeit  617 mechanische Verdichtung  313 Mehrausbruch  703 Mehrbarrierenkonzept  538 Mehrzonendamm  736 Mergelstein  28 Messen –– der Bohrparameter während des Bohrens  211 –– der Wasserstände  236 Messung –– geotechnische  655 –– refraktionsseismische  404 Messverfahren –– fernerkundliches  483 –– radiometrisches  413 Messwehr  598 Metamorphite  135, 139 Methan  200, 571–572, 611, 806 Methangasaustritt  571, 573 Migration von Radon  201 mikrobiologische Aktivität  543 Mikroerdbeben  187, 733 Mikrogravimetrie  199, 556, 777 Millisievert  201 Mindestanforderung  549 Mindesterddruck  277 Mindestpfahllänge  331 Mindestuntersuchungsprogramm  429 Mineral –– asbestfaserartiges  580 –– gesteinsbildendes  135 –– Härte  135 Mineralbestand  618 mineralische Kornbindung  137 Mischbindemittel  419 Mischungskorrosion  752 mittelaktiver Abfall  548 mittelalterliches Rutschungsereignis  487 mittelfester Fels  404 Mittelkluft  144–145 mitteltiefer Sulfatkarst  757 Mixed-Layer-Mineral  26, 78 Mixschild  694 Modell –– bruchmechanisches  278 modifizierte Proctordichte  39 Modus –– geschlossener  693 –– halboffener  693 –– offener  693 Mohr-Coulomb-Bruchbedingung  438 Mohr-Coulomb´sches Bruchkriterium  79 Montmorillonitgehalt  649

Moore  128 Moortrichter in Ostwestfalen  770 mörtelgebetteter Verbundanker  709 Mudde  53, 90, 115, 124, 127, 458 Muldenlage  296, 566 Multi-Mode-Maschine  694 Mure  502 Murgang  494 Muttergestein  571, 573 Mylonit  160

N Nachankerung  711 Nachbrüche an der Ortsbrust  688 nachbrüchiges Gebirge  670, 684 nachgiebig gestützte Baugrubenwand  677 nachträgliche Abdichtung von Bauwerksteilen  374 Nachtragsmanagement  641 Nachverpresstechnik  364 Nachweis der Standsicherheit  250 Nachweisverfahren  251, 277 nackter Karst  750 Nagelwand  355 Nassspritzbeton  705 Nassvegetation  478 Nationaler Anhang  3 Natriumchlorid  765 Naturanalogon  539 Naturgefahr –– gravitative  469 natürliche radioaktive Hintergrundstrahlung  201 Naturschutzgebiet  205 Naturstein  135 Naturstein-Trockenmauer  443 negative Mantelreibung  340 negative Randspannung  257 Neue Österreichische Tunnelbauweise  662 neutrale Spannung  46 neutrale Zone  786 Neutralisation der alkalischen Tunnenabwässer  611 Niederrheinische Bucht  164, 170 Niederschlag  472 Niederschlagsmenge  472 Niederschlagswasser von Verkehrsflächen  377 Nivellement  778 Norm  3, 12 Normaldübel  507 normalkalibriger Bohrpfahl  345

891 Stichwortverzeichnis

normierte Gebirgsdurchlässigkeit  106 numerische Abschätzung von Erdfallereignissen  779 numerische Berechnungsmethode  674 nutzbarer Porenanteil  36 nutzbarer Wärmestrom  789 Nutzung stillgelegter Bergwerke  798 Nutzungsdauer einer geothermischen Anlage  792

O Oberboden  428 Oberbodenauftrag  447 oberflächenbedingte Gebirgsauflockerung  151 Oberflächenbeschaffenheit der Trennflächen  148 Oberflächendränung  505 Oberflächengeophysik  589 Oberflächenmessung –– geophysikalische  775 oberflächennahe Auflockerungszone  644 Oberflächennahe Geothermie  793 oberflächennaher Bergbau  556, 561 Oberflächennivellement  656 Oberflächenrutschung  531 Oberflächenwelle  305 Oberrheingraben  164, 170 offene Bauweise  677 offene Porosität  37 offene TBM  684 offene Wasserhaltung  390 offener Modus  693 offenes System  107 Öffnungsweite –– charakteristische  422 –– Trennflächen  149 Opalinuston  521, 552 optoelektronische Geotextilmessmatte  784 organische Beimengung  127 organischer Bestandteil  28 organischer Boden  53, 90, 115, 127, 458 organogener Boden  28, 127 organoleptische Ansprache  429 Ornatenton  521 Ortbetonpfahl  329 Ortbetonrammpfahl  343 Ortsbrust –– instabile  706 Ortsbrustanker  706

Ortsbrustaufnahme  592, 638 Ortsbruststabilität  673 osmotische Quellung  24, 76 Osterberg-Verfahren  333 Oxidation von Pyrit  399

P P-Welle  193, 305 Packertest  111 Paläoerdbeben  181 Parameter –– inhärenter  11 passiver Erddruck  274 Penetration  686 Permafrostzeit –– eiszeitliche  473 Permeabilität  95, 553 petrographisches System  803 Pfahl –– kleinkalibriger  347 Pfahl-Plattengründung –– kombinierte  329 Pfahlbemessung  330 Pfahlfußwiderstand  332 Pfahlgründung  328 –– Bemessung  330 Pfahlgruppe  339–340 –– Setzung  341 Pfahlmantelwiderstand  332, 334 Pfahlwiderstand –– charakteristischer axialer  334 pH-Wert  235, 381, 611, 614 Photogrammetrie  638 physikalische Verwitterung  140 Piping  20 Planum  411 Planumschutzschicht  426 Plastifizierung von Tonsteinlagen  144, 515 plastischer Ton –– Verdichtung  408 Plastizität  42 Plastizitätsdiagramm  42 Plastizitätszahl  42 Plattendruckversuch  55 –– dynamischer  411, 413 –– statischer  410 Plattentektonik  181 Poissonzahl  45, 49, 647, 668 Polarprojektion der unteren Halbkugel  152 Polstergründung  313 polychloriertes Biphenyl  538 polychloriertes Dibenzodioxin  538

M–P

polycyclischer aromatischer Kohlenwasserstoff  428, 537 Polyurethanharz  322 Porenanteil  36 –– durchflusswirksamer  36 –– nutzbarer  36 Porendurchmesser  118 Porengrößenklasse  118 Porenwasser –– immobiles  29 Porenwasserdruck  46, 81 –– anormaler  47 –– Entwicklung  501 Porenwasserüberdruck  47, 61 Porenwasserunterdruck  47 Porenwinkelwasser  30 Porenzahl  36 Porosität  138, 553 –– offene  37 Portalbereich  585 Potenzialströmung  287 Präzisionsnivellement  252, 274 Pressarbeiten  134 Pressrohrpfahl –– hydraulischer  348 primärer Spannungszustand  646 Primärspannung –– Richtung  63 Primärspannungszustand  60–61, 647 Prinzip –– der kleinsten Massenbewegung  502 –– der Selbstverstärkung  748 Probeabsenkung  398 Probebelastung  330, 332 Probennahme  430 Probestau  722 Probeverdichtung  410 problematisches Gebiet  810 Problemboden –– filtertechnischer  20 Proctordichte  38–39, 410 –– modifizierte  39 Proctorkurve  39 Proctorversuch  38 Profilhaltung  703 Profilieren von Felsböschungen  442 Profilkontrolle  704 progressiver Bruch  501, 662 Prüfmethode  412 Prüfung der Anker  366 PSI-System  628 Pufferung  543 Pull-apart-Struktur  158 Pumpversuch  102–103, 798 –– quasistationärer  104 –– Zeitdauer  103

892

Stichwortverzeichnis

Punkt –– kennzeichnender  272 Punktlastfestigkeit  73 Punktlastindex  73 Punktlastversuch  72 Pyrit  29, 613 Pyritoxidation  29, 140, 399

Q Q-System für Tunnelvortriebsmaschine  632 qualifizierte Bodenverbesserung  411, 420 Qualität des Kernmaterials  228 qualitatives Klassifizierungssystem  625 quantitatives Klassifizierungssystem  628 Quarzgehalt –– äquivalenter  618 quasistationärer Pumpversuch  104 Quelldruck  78–79, 304, 649, 651, 653 Quelldruckindex  77 Quellen  76 –– toniger Gesteine  76 –– von Ton  649 –– von Tonstein  649 quellfähige Tongesteine  650 quellfähiges Tonmineral  26, 76, 92 Quellhebung  78–79, 271, 649 Quellhebungsindex  77 Quellkartierung  594 –– hydrogeologische  192 Quellmaß  77 Quellung –– interkristlline  76 –– kristalline  24 –– osmotische  24, 76 Quellversuch bei unbehinderter Dehnung  77 Quellvorgang –– Anisotropie  77 Quicktone  85 Quicktonrutschung  495

R Radarinterferometer  484 radioaktive Strahlung  202 radioaktiver Stoff  547 radiogenes Gas  200 Radiokarbondatierung  485

radiometrisches Messverfahren  413 radiometrisches Verfahren  34 Radionuklid  201, 801, 803 Radon  200–201, 612 –– Migration  201 Radon-Richtwert  203 Radongebiet  202 Radonprognosekarte  202 Rahmengroßschergerät  86 Rahmenscherversuch  81 Rammarbeiten  134 Rammhindernis  353 Randbereich des Erdfalls  779 Randspannung –– negative  257 Randstörung  168, 170 Rasterelektronenmikroskop  14 räumlicher Spannungszustand  616 Raumwelle  305 Recyclingbaustoff  18 Redoxpotenzial  235 Referenz-Spitzenwert der Bodenbeschleunigung  190 Reflexionsseismik  195 –– hochauflösende  195 Refraktionsseismik  481 refraktionsseismische Messung  404 refraktionsseismisches Verfahren  193 Regelböschung  436, 456, 458 Regeln der Technik  5 Regeneffekt  596 Regenschirmabdichtung  604 Regenwasserversickerung –– dezentrale  376 reguläre Salzauslaugung  765 Reibungspfahl  329, 336 Reibungswinkel  79, 89 Reichweite –– der Grundwasserabsenkung  392, 397, 599 –– der Temperaturänderung  795 –– einer Zementinjektion  742 Reindichte  32 Reinfiltration  608 Reinfiltrationsanlage  566 relative Bewegungsmessung  483 Residualbildung  762, 778 Residualbrekzie  760 Residualgestein  94 Resonanzeffekt  308 Restscherfestigkeit  80–81, 90, 452 Restscherwiderstand  224 Restspannung –– horizontale  436 Retardation  544 rezente Rutschung  487, 517 rezente tektonische Spannung  162

Rheinisches Schiefergebirge  165 Richtbohrtechnik  573 Richtlinie (RiL) 836  415 Richtlinie (RiL) 853  581 Richtung der Primärspannung  63 Richtungsgenauigkeit von Injektionsbohrungen  743 Ringschluss  672 Ringspaltverfüllung  688 Risiko –– geologisches  804 –– seismisches  804 Risikoanalyse  582 Risikobewertung  583, 773 Risikofaktor  582 Risikokarte  180, 477 Risikomanagement  581 Risikopotenzial  510 Risikosteuerung  583 Risikoüberwachung  584 Risikozone  582 Riss im Spritzbeton  664 Rissbilder  297 Risse  297 Rissschaden  298 RM-Index  632 RMR-System  628 Rock-Fracturing-Verfahren  323, 715 Rohdichte  35 Rohrpressvortrieb  699 Rohrreibanker  709 Rohrvortrieb  698 Rohrvortriebsmaschine  700 Röt-Muschelkalk-Grenze  450, 516 RQD-Index  628 RQD-Wert  685 Rückgängigmachen der Absenkwirkung  611 Rückprallwert  73 Rückzug der Gletscher  473, 487 Ruhedruckbeiwert  60, 647 Rutschung  469 –– aktive  487 –– alte  486 –– Dokumentation  479 –– felssturzartige  490 –– fossile  486, 734 –– kombinierte  493 –– komplexe  497 –– rezente  487, 517 –– tiefreichende  526 rutschungsanfällige Gesteine  470, 525 rutschungsanfällige Schicht  512 Rutschungsdatenbank  477 Rutschungsdimension  474 Rutschungsereignis

893 Stichwortverzeichnis

–– frühneuzeitliches  487 –– mittelalterliches  487 Rutschungskartierung  479 Rutschungsmerkmal  474 Rüttelarbeiten  134 Rütteldruckverfahren  314 Rüttelstopfsäule  316 Rüttelstopfverdichtung  315, 465 Ruttner-Schöpfer  379

S S-Welle  193, 305 Säbelwuchs  478 Sachverständiger  6 Sackung  249 Sackungsempfindlichkeit  273 Sackungsverhalten  54 saisonaler Thermospeicher  794 Salinarkarst –– Einbruchsschlot  516 –– tiefer  766 Salzaufpressung  767 Salzauslaugung –– reguläre  765 Salzbergwerk Asse II  551 Salzhang  765, 767, 780 Salzkissenbildung  767 Salzstock  171, 552, 770 Salzstruktur  171 Sand im Förderstrom  392 Sand-Mineral-Stopfsäule –– geokunststoffummantelte  559 Sandersatzverfahren  34 SAR-Interferometrie  484, 778 SAR-Radar-Interferometrie  784 Sattellage  296, 566 Sättigungslinie  39 Sättigungssetzung  409 Sättigungszahl  31 Saugspannung  301 Säule –– geokunststoffummantelte  465 Säuregrad nach Baumann-Gully  383 Säurestimulation  802 saxonische Tektonik  167 saxonischer Grabenbruch  169, 515 Schacht  557, 559 Schachtfüllsäule  560 Schaden  555, 566 –– an Bauwerken  308 Schadensbilder  308 Schadstoffgehalt –– im Eluat  431 –– im Feststoff  431

Schadstoffrückhaltekapazität  543 Schadstoffrückhaltung  542 schalenförmige Gleitfläche  492 Schalstein  450 scheinbare Kohäsion  89 Scherbruch  145 Scherbruchentwicklung  155 Scherfestigkeit  45, 79 –– beim Bruch  80 –– Gebirge  91 –– Kluftfläche  94 –– Schichtflächen  92, 501 –– Trennflächen  86 –– undränierte  69, 81, 84–85, 90, 223 Scherfestigkeitsparameter  45, 89–90 Scherfestigkeitswert  93 Scherparameter –– effektive  81 –– wirksame  81 Scherwellengeschwindigkeit  189 Schicht –– rutschungsanfällige  512 –– wenig tragfähige  458 Schichtenverzeichnis  225 Schichtfläche  142 Schichtneigung –– kritische  439 schichtspezifische Wasserprobe  378 Schiefergas  571, 573 Schiefergebirge –– variszisches  165 Schieferung  144 Schiefstellung  297, 566, 780 –– von Bäumen  478 Schildmaschine  689 –– mit erddruckgestützter Ortsbrust  690 Schimazek-Abrasivitätsbeiwert  619 Schirmgewölbe  714 Schlacke  434 Schlagzahl  218, 220 Schlammbildung  681 Schlammstrom  494 Schlauchwaage  252 Schlick  128 Schlitzwand  354, 358 Schlitzweite  236 Schluckloch  722, 733, 740 Schluffboden  127 Schluffstein  140 Schmalwand  359 Schmidt´scher Betonprüfhammer  73 Schneckenbohrpfahl  345 Schneidwerkzeug  686 schonende Sprengarbeit  442 Schotterbett  426 Schraubpfahl  343

Q–S

Schrumpfgrenze  41, 301 Schrumpfmaß  42 Schrumpfsetzung  298, 300, 302 Schrumpfverhalten  41 Schubmodul  45, 190 Schubspannung  436 Schurf  481 Schürfgrubenverfahren  34 Schuttmasse –– Kriechbewegung  495 Schüttmaterial –– steiniges  91 Schuttstromkriechen  496 Schuttstromrutschung  492, 494 Schüttung –– kontrollierte  462 –– unverdichtete  128 Schutz des Grundwassers  602 schwachaktiver Abfall  548 Schwallwelle  734 Schwarmbeben  187 schwarze Wanne  376 schwebendes Stockwerk  599 Schwefelwasserstoff  379, 612 Schwellen  76 Schwellenwert  204, 535 Schwellindex  50 Schwellmodul  51, 271 Schwermetall  545 Schwinggeschwindigkeit  306 Sedimentationsanalyse  15 Sedimentationsbecken  560 Sedimentite  135 Seeton  458 Seilkernrohrbohrverfahren  214 seismisches Risiko  804 Seismizität –– flüssigkeitsinduzierte  731 –– geothermische  804 –– induzierte  574, 730, 801 Seitendruck auf Pfähle  338, 340 Seitendruckbeiwert  60 Seitendrucksonde  224 sekundäre Spannungsverteilung  647 Selbstabdichtung  740 –– von Tonsteinen  539 Selbstbohranker  365 selbstverdichtender Verfüllbaustoff  781 Selektionsmethode  642 Senkung  249 Senkungsbetrag über Salzstöcke  770 Senkungsmulde  556, 751 Sensibilitätsanalyse  499 Sensitivität  44, 85, 224 Sensitivitätsanalyse  510 Setzung  249, 268, 295, 303, 459–460

894

Stichwortverzeichnis

–– des Untergrundes  426 –– infolge Auftriebwegfalls  397 –– von Pfahlgruppen  341 –– zulässige  297 setzungsarmes Bauverfahren  696 Setzungsbeobachtung  273, 460 Setzungsberechnung –– Genauigkeit  271 –– Grundgleichung  268 Setzungsempfindlichkeit  296 Setzungsfließen  439, 495, 529 Setzungsfuge  312 Setzungsmulde –– an der Geländeoberfläche  657 Setzungsunterschied  295 Setzungsverhalten von TBMVortrieben  696 Sicherheit –– gegen Böschungsbruch  278 –– gegen Geländebruch  278 Sicherheitsbeiwert  508 Sicherheitsfaktor  499 Sicherheitskonzept  773 –– im Bauwesen  250 Sicherung  559 Sicherungsbauweise  781 Sickeranlage  448 Sickergeschwindigkeit  121 Sickerspende  376 Sickerstützscheibe  448, 506 Sickerwasser  120 –– aufstauendes  374 Sickerwasserverlust  723, 726, 728 Siebtrommelversuch  139, 141, 623 silikogener Staub  580 Silodruck  275 Simulation –– hydrauliche  573 Slug-Test  111 Smekit  25 Sohlausbildung  678 Sohldichtung von Baugruben  359 Sohldruck –– Verteilung  256 Sohlfuge –– klaffende  257 Sohlhebung  650 Sohlpressung –– zulässige  292 Sohlreibungswinkel  260 Sohlspannungsverteilung  265 Sohlwasserdruck  739 Sohlwiderstand  293 –– Bemessungswert  292 Soil-Abrasitiveness-Index  621 Soil-Fracturing-Verfahren  322 Soilcrete-Verfahren  324 Solifluktion  495

Soll-Ist-Vergleich  640 Sonarvermessung  777 Sondierung  217 Sonnenbrennerbasalt  140 Sorption  542 Spannung  44, 255 –– neutrale  46 –– rezente tektonische  162 –– totale  46 –– wirksame (effektive)  46 Spannungs-VerformungsBeziehung  48 Spannungsfeld Mitteleuropas  162 Spannungsmessung  661 Spannungstrajektorie  648 Spannungsüberschuss –– horizontaler  350 Spannungsumlagerung  648, 654, 658–659 Spannungsverteilung –– Baugrund  265 –– sekundäre  647 –– Untergrund  460 Spannungszustand  44 –– Gebirge  60, 556 –– primärer  646 –– räumlicher  616 –– tertiärer  648 Speichergestein  553 Speicherkennwert  720 Speicherung von Kohlendioxid  553– 554 spezifische Entzugsleistung  791 Spieß  712 Spitzendruckpfahl  328 Spreizanker  709 Spreizsicherheit  456 Sprengarbeit –– schonende  442 Sprengen  404 Sprengerschütterung  306, 702 Sprengladung –– Detonationswirkung  405 Sprengstoff –– Eigenschaft  406 Sprengstoffrest  614 Sprengtechnik  702 Sprengverdichtung  529 Sprengvortrieb  701 Sprengzement  406 Spritzbeton  704 –– Abplatzung  705 Spritzbetonausbau –– einschaliger  676 Spritzbetonbauweise  662, 678–679 Spritzbetonrückstand  614 Spritzbetonschale  445, 662 –– wasserundurchlässige  605

Sprödbruch  76 Sprödbruchverhalten  45 Sprödigkeit  75 SPT-Probenentnahmegerät  219 SPT-Wert  191 Spülbohrung  217 Spülfilteranlage  393 Spülverfahren  406 Spundwandverbau  353 Spürbarkeitsschwelle  308 Stabilisierungssäule  316, 465 Stabwerksmodell  667 Stahlaggressivität  384 Stahlbetonplatte  783 Stahlbetonrammpfahl  343 Stahlpfahl  342 Standard-Penetration-Test  219, 335 standfestes Gebirge  670 Standfestigkeit –– alter Eisenbahndämme  458 –– Böschung  436 –– Gebirge  644 Standsicherheit –– alte Staumauer  736 –– bei ebener Gleitfläche  280 –– bei gebrochener Gleitfläche  281 –– Besucherhöhle  749 –– Felsböschung  284 –– Nachweis  250 starres Fundament  266 Starrkörpermethode  284 statische Berechnung für einen Schildvortrieb  695 statistische Kluftauswertung  146 Stauanlage  185, 720 Staub –– silikogener  580 Staubentwicklung  681 Staudamm  736 Staumauer  735 –– alte, Standsicherheit  736 –– Gründung  735 Stauraumabdichtung  740 Steifemodul  45, 49, 52–53, 259 Steifemodulverfahren  259 Steifeziffer  222 Steifigkeit eines Bauwerks  256 Steighöhe –– kapillare  118 Steine  124 steiniges Schüttmaterial  91 Steinkohlebergbau  565 Steinkohlebergwerk  545 Steinmatratze  504 Steinplombe  504 Steinsalz  550 Steinschlag  489 Steinschlagereignis  501

895 Stichwortverzeichnis

Steinschlaggefahr  445 Steinschlagsicherung  446 Stockwerk –– schwebendes  599 Stoff –– radioaktiver  547 Stoffmodell  251 Stokes’sches Gesetz  13 Störung –– tektonische  566 Störungsgestein  158, 160 Störungsmylonit  729 Störungszone  156, 159, 540, 672 –– Charakterisierung  161 –– Erkennen  228 –– tektonische  98, 152, 584, 644, 767 Störungszonentyp  159 Strahlung –– kosmische  201 –– radioaktive  202 –– terrestrische  201 Straßenaufbruch  428 Straßenbau –– Erdfallgebiet  779 –– Terminologie  402 Streichrichtung von Klüften  152 Streifenkartierung  584, 589 Strömungskraft  46, 262, 288 strukturelle Bohrkernaufnahme  230 Stützflüssigkeit  690 Stützmedium  690 Stützmittel  704 Stützung des Baugrubenverbaus  351 Stylolith  158 Subrosion  765 Subrosionskataster  775 Subrosionskessel  516 Subrosionssenke  765–766, 768 Süddeutsche Großscholle  169 Suffosion  19 –– nichtbindiger Lockersedimente  771 Sulfat  382, 417, 613 Sulfatangriff  384 Sulfatkarst  733, 761 –– mitteltiefer  757 Sulfid  382–383, 580 Sumpfgas  572 Sümpfungsmaßnahme  565 System –– gedräntes  604 –– Hydroschild  690 –– hydrothermales  800 –– offenes  107 –– petrographisches  803 –– trockenes  802 Systemankerung  711 Systemdurchlässigkeit

–– einer Wand  358 Systemrisiko  581 Systemverhalten  635

T Tagebauböschung  451, 528 Tagebaurestloch  528 Tagesbruchgefährdung  557, 563 tagesnaher Bergbau  556, 560 Talflanke –– instabile  495 Talsperrenklasse  720 Talvertiefung  471 Talzuschub  495–496 Tauchpumpe  102, 378 Tauchwägung  14, 33 TBM (Tunnelbohrmaschine)  581 –– Ausbruchklasse  683 –– geschlossene  689 –– offene  684 TDR-System  245 Teilschnittmaschine  681 Teilsicherheitsbeiwert  255, 279, 330 Teilsicherheitsfaktor  250 Teilsicherung  780 Tektonik –– saxonische  167 tektonisch bedingte Gebirgsauflockerung  643 tektonische Bruchlinie –– Bewegung  164 tektonische Gebirgsauflockerung  151, 159, 168, 295, 672, 728 tektonische Störung  566 tektonische Störungszone  98, 152, 584, 644, 767 –– Bewertung  161 –– Erkundung  158 tektonisches Beben  184 Temperatur-Log  241 Temperaturgradient  787 Temperaturleitfähigkeit  791 Terminologie für den Straßenbau  402 terrestrische Strahlung  201 terrestrischer Laserscanner  484 terrestrischer Wärmestrom  786 tertiärer Spannungszustand  648 Tertiärrutschung –– flache  524 Tertiärvulkanismus  173 Thermalwasser  798 –– gasführendes  801 thermoaktives Bauteil  798 thermogenes Gas  200 Thermospeicher

S–T

–– saisonaler  794 Tiefbrunnenanlage  393 Tiefdränung  506 Tiefe –– der Aufschlüsse  206 –– des Injektionsschleiers  742 tiefe Erdwärmesonde  800 Tiefenanker  361–362 Tiefengeothermie  799 Tiefenlage der Gleitfläche  482 Tiefenlager –– geologisches  548 Tiefenwasser –– heißes  800 –– warmes  800 Tiefenwirkung der Verdichtung  409 tiefer Bergbau  556, 564 tiefer Salinarkarst  766 Tiefgründung  328 Tiefkriechen von Festgesteinen  496 tiefliegende Dichtungssohle  361 tiefreichende Rutschung  526 tight gas  571 Toleranzmaß  703 Tomographie –– geoelektrische  197 Tonboden  127 Tondichtung –– geosynthetische  422 Tondichtungsbahn –– geosynthetische  416 Tongestein  551 –– quellfähiges  650 tonige Gesteine –– Quellen  76 Tonmineral  23 –– quellfähiges  26, 76, 92 Tonmineralogie  470 Tonstein  28, 53, 140 Tonsteinlage –– Plastifizierung  144, 515 topographische Karte  476 Torf  53, 90, 115, 124, 128, 458 totale Spannung  46 Tracerversuch  36 Trägerbohlwandverbau  352 Tragfähigkeit –– Dammuntergrund  456 –– Erdplanum  412 –– Verbesserung  423 Tragverhalten des Gebirges  644, 662 Translationsrutschung  492 Transmissivität  105–106 Transportverzögerung  544 Transversalwelle  193 Traxialsonde  65 Trennfläche  142

896

Stichwortverzeichnis

–– Beschreibung  147 –– Lockergestein  142 –– Oberflächenbeschaffenheit  148 Trennflächenanalyse  146 Trennflächengefüge  152, 285, 439 Triaxial-Großversuch  86 triaxialer Kompressionsversuch  82 Triaxialversuch –– undränierter  84 Trinkwasserschutzgebiet  809 Trockendichte  34, 39, 413 trockenes System  802 Trockenspritzbeton  705 Trogbaugrube  359 Tsunami  188 Tübbing  695 Tunnel –– Bemessung  666 –– Dränwirkung  604 –– Gesamtwasserabfluss  598 Tunnelabdichtung  603 Tunnelabwasser  614 –– alkalisches, Neutralisation  611 Tunnelausbruchmaterial  612 Tunnelbagger  701 Tunnelbohrmaschine Siehe TBM  689 Tunnelgeothermie  798 Tunnelkartierung –– ingenieurgeologische  637, 642 Tunnelseismik  586 Tunnelstatik  665, 667 Tunnelsystem –– gedräntes  610 –– ungedräntes  605 Tunnelvortrieb –– konventioneller  701 Tunnelvortriebsmaschine  681

U Überhöhen des Dammes  463 überkonsolidierter Boden  51 Überlagerungsdruck  51, 651 Übermaß  703 Überprofil  704 Überschüttungsbereich eines Bauwerks  416 Ufererosion  471 Ulmenpfahl  714 Ulmenstollenvortrieb  680 Ultraschall-Schwingstab  14 Umwandlung von Anhydrit  78 Umwandlungsdruck  78 Umweltverträglichkeit der Injektionsmittel  322

unchlorierter Kohlenwasserstoff  537 undränierte Scherfestigkeit  69, 81, 84–85, 90, 223 undränierter Triaxialversuch  84 uneingeschränkter Einbau  431 Unfallverhütungsvorschrift  209 ungedräntes Tunnelsystem –– Abdichtung  605 ungesättigte Zone  541 ungestörte Bodenprobe  207 Ungleichkörnigkeit  15 unkonventionelle Erdgaslagerstätte  571, 574 unnachgiebig gestützte Baugrubenwand  677 unruhige Geländeform  478 Untergrundabdichtung  739 Untergrundklasse  189 Untergrundmodell  178 untergrundverbessernde Maßnahme  781 Unterprofil  704 Unterscheidung von Anhydrit und Gips  755 Untersuchung –– baubegleitende  177 –– von Bodenproben  380 –– von Wasserproben  380 Untersuchungsmethode  772 Untertagedeponie  545 Untertagedeponierung im Salzgebirge  546 Untertageverbringung  545 Unterteilung des Ausbruchquerschnitts  678 Unterwasserböschung  453 unverdichtete Schüttung  128 unvollkommener Brunnen  106, 392, 398 unvollkommener Horizontalbrunnen  597 Uraltbergbau  555 urbane Wärmeanomalie  787 USCS-Klassifikation  126

V Vakuumlanze  601 Vakuumtiefbrunnen  396 Vakuumverfahren  393–394 variszisches Schiefergebirge  165 veränderlich feste Gesteine  69, 92, 139 Verbandsfestigkeit  150 Verbauart –– verformungsarme  354

Verbauwand  677 Verbesserung der Tragfähigkeit  423 Verbreiungsanfälligkeit von Gesteinen  623 Verbruch  557, 643 –– der Ortsbrust  666 Verbruchereignis  663 Verbundanker  708 –– mörtelgebetteter  709 Verbundpfahl  347 Verbundstoff  420 Verdichtbarkeitsklasse  407 Verdichten von Fels  409 Verdichtung  407 –– Dammschulter  415 –– mechanische  313 –– plastischer Tone  408 –– Tiefenwirkung  409 Verdichtungsanforderung der ZTVE  410 Verdichtungsdruck  275 Verdichtungsgerät  409 Verdichtungsgrad  40, 410 Verdichtungskontrolle  412 –– flächendeckende dynamische  414 Verdrängungspfahl  341 Vereisungsbohrung  717 Verfahren –– bergrechtliches  809 –– geoelektrisches  776 –– radiometrisches  34 –– refraktionsseismisches  193 Verfestigung mit hydraulischen Bindemitteln  412 Verflüssigungsmedium  494 Verformung –– ausbruchsbedingte  654 –– im Baugrund  249 –– Ortsbrust  657 –– Tunnelschale  672 –– zulässige  664 verformungsarme Verbauarten  354 Verformungsmaß –– zulässiges  660 Verformungsmessung der Spritzbetonschale  655 Verformungsmodul  45, 48, 56–59 Verformungsverhalten  45 Verfüllbaustoff –– selbstverdichtender  781 Verfüllung –– eines Erdfalls  781 –– von Abbaustätten des übertägigen Bergbaus  432 Verkarstung –– Hauptphasen  748 verkarstungsanfälliger Horizont  748

897 Stichwortverzeichnis

Verkarstungsanfälligkeit  753 verkarstungsfähige Gesteine  733 Verkarstungsprozess  748 Verklebungsneigung  692 Verklebungspotenzial  623 Vernässung  569 Vernässungsschaden  303 Verockerung  375, 379, 399 Verpressanker  362 Verpressdruck  319 Verpressdruck-DurchflussDiagramm  109 Verpressmethode  319 Verschiebung  249 Verschleiß  617 Versickerungsanlage –– Bemessung  377 Versickerungsart  377 Versickerungsbrunnen  399 Versickerungsmöglichkeit  376 Versickerungsversuch  107 Versinterung  375 –– im Dränsystem  602 Versuchsbrunnen  102 Verteilung –– des Erddrucks  276 –– des Sohldrucks  256 Vertikaldränsystem  464 vertikale Dichtungswand  741 Verwahrung  559 Verwerfung  154, 159 Verwertungsgebot  427 Verwertungsklasse  613 Verwitterung  140, 470 –– chemische  140 –– hydrothermale  140 –– physikalische  140 Verwitterungsbeständigkeit  141 Verwitterungsgrad  141 Verwitterungszustand  140 Viehtritterosion  473 Vliesstoff  420 Vollausbruch  678 vollkommener Brunnen  392, 398 Vollsicherung  780 Volumenvergrößerung  755 Vorausbohrung  591 vorbelasteter Boden  52 Vorbelastung  52 –– geologische  62 voreilende Gebirgsverformung  659 Vorentlastung  675 vorgespannter Anker  361 Vortriebsdokumentation  637, 640–641 –– bei TBM-Vortrieben  695 Vortriebsgeschwindigkeit  686

Vortriebsklasse  625, 683 –– ÖNORM  636 Vortriebstechnik –– grabenlose  698 Voruntersuchung  721 Vulkanausbruch  487 vulkanische Gesteine  526 Vulkanischer Tuff  452

W wahre Fließgeschwindigkeit  96 Wahrnehmung von Erschütterungen  308 wahrscheinlicher Bruchkörper  499 Wandreibungswinkel  276 Wandverformung  356 Wandverschiebung  369 warme Tiefenwasser  800 Wärmeanomalie  787 –– urbane  787 Wärmeaustauschfähigkeit des Gebirges  790 Wärmekapazität  789 Wärmeleitfähigkeit der Gesteine  789 Wärmepumpe  793 Wärmestrom –– nutzbarer  789 –– terrestrischer  786 Wärmestromdichte  788 Wärmeträgerflüssigkeit  793 Wärmeträgermedium  800 Wasser –– drückendes  374–375 –– kontaminiertes  389 –– weiches  380 –– Wirkung  283, 287, 472, 500 Wasser-Bindemittel-Wert  319, 744 Wasser-Zement-Wert  744 Wasseranfall –– anfänglicher  596 –– dauernder  596, 598 –– vor Ort  597 Wasseraufnahmevermögen  31, 141 Wasseraustritt in Böschungen  448 Wasserbedarf von größeren Bäumen  390 wasserdichte Baugrube  678 Wasserdruck  666, 676, 692 –– am Ausbruchsrand  600 Wasserdruckversuch  108, 369, 724 Wasserdurchlässigkeitsbeiwert  377 Wasserdurchlässigkeitsversuch in einem Bohrloch  107 Wasserdurchströmung  299

U– W

Wassereinbruch  600 Wasserführung des Gebirges  482 Wassergehalt  30, 39–40 Wasserhaltung  389 –– in lockergesteinsartigen Gebirgen  606 –– offene  390 –– vor dem Vortrieb  601 –– zentrale  565 Wasserhaushaltsgesetz  203, 388, 808 Wasserlagerungsversuch  139 Wassermenge  397, 600 –– Abschätzung  597 Wasserprobe  378–379 –– schichtspezifische  378 –– Untersuchung  380 wasserrechtliche Auflage  591 wasserrechtliche Erlaubnis  809 Wasserschutzgebiet  204 –– Baumaßnahmen  416 Wasserspiegelhöhe  255 Wasserstand –– Messen  236 Wassertemperatur  587 wasserundurchlässige Spritzbetonschale  605 wasserundurchlässiger Beton  376 Wasserverbrauch –– laubwerfender Bäume  473 –– von Bäumen  300, 390 Wasserzulauf –– Arbeitsbehinderung  600 WD-Test  108 Wegfall des Auftriebs  302 weicher Fels  85 weiches Gestein  744 weiches Wasser  380 Weichgel  321, 360 Weichgestein  136 Weichwasserkorrosion  381 weiße Wanne  376 Wellenausbreitung im Boden  307 Wellpointanlage  393 wenig tragfähige Schicht  458 wenig wahrscheinlicher Bruchkörper  499 Wert –– charakteristischer  254, 280 westeuropäisches Riftsystem ECRIS  170 Wichte  35 Widerlagerwand –– Erddruck  416 Widerstand –– charakteristischer  330 Widerstandsgröße  254 Widerstandsmessung –– geoelektrische  196

898

Stichwortverzeichnis

Widerstandsmoment  256 Widerstandsprinzip  653 Wiederanstieg der Grundwasseroberfläche  302, 372, 567 Wiederanstiegsphase  105 Wiedereinspeisung  388 Wiederholungswahrscheinlichkeit  510 Winkelverdrehung  295 wirksame (effektive) Spannung  46 wirksame Scherfestigkeit  81 Wirkung des Wassers  283, 287, 472, 500 Wirkungspfad  535 Wirtsgestein  550 WU-Beton  605 Wurzeleinwuchs  375 Wurzelpfahl  348

Z Zähbruch  76 Zähigkeit  75

zeichnerische Darstellung von Bohrprofilen  237 Zeitdauer eines Pumpversuchs  103 Zeitsetzungslinie  55 Zeitsetzungsverlauf  296 Zement  384 –– hydrophobierter  419 Zement-Bentonit-Suspension  741 Zementinjektion  318 Zementpaste  321 Zementsuspension  593, 741, 781 Zementverfestigung  419 zentrale Wasserhaltung  565 Zerfallsbeständigkeit  622 Zerfallsbeständigkeitsindex  623 Zerfallserscheinung an Hartgesteinen  140 Zerlegungsgrad des Gebirges  150 Zerrspaltensystem  767 Zersetzung des Gesteins  580 Zersetzungsgrad  128 Zeugenberg  517 Zone –– der Gebirgsdurchlässigkeit  540 –– der jahreszeitlichen Volumenänderungen  292

–– gesättigte  541 –– neutrale  786 –– plastischen Materialverhaltens  670 –– ungesättigte  541 ZTV-ING, Teil 5, Tunnelbau  581 Zugfestigkeit  45, 74, 297 –– Festgestein  75 –– Gebirge  779 –– Lockergestein  74 Zugpfahl  329 zulässige Setzung  297 zulässige Sohlpressung  292 zulässige Verformung  664 zulässiges Verformungsmaß  660 Zuordnungswert  431 Zuschlag –– additiver  255, 373 Zustandsform  40, 43 Zustandsparameter  11 Zustandszahl  43 Zweiphasenverfahren  354 zweischalige Bauweise  676 Zweischichtmineral  24