Unterfahrung der BAB A8 mittels Lockergesteinsvortrieb

Der neue Albvorlandtunnel, inklusive der Kleinen Wendlinger Kurve, ist ein wesentlicher Bestandteil des Gesamtprojekts Neubaustrecke Wendlingen -Ulm. Bestandteil des Projekts ist ebenfalls der Bau der Güterzuganbindung an die Bestandsstrecke der Neckartalbahn. Die Unterquerung der Bundesautobahn 8 mit dem GZA-BAB-Tunnel war mit einigen Besonderheiten verbunden.

Der dichte Zugverkehr auf der Bahnstrecke Stuttgart–Ulm–Augsburg soll durch den Bau zweier neuer Gleise entlastet werden. Der Albvorlandtunnel (AVT) ist ein wesentlicher Bestandteil des Gesamtprojekts Neubaustrecke Wendlingen–Ulm (NBS WN– UL). Das Projekt umfasst ebenfalls den Bau der Güterzuganbindung (GZA) an die Bestandsstrecke der Neckartalbahn. Der GZA-BAB-Tunnel quert hierbei die Bundesautobahn (BAB) 8. Die Trasse verläuft von Südost (Startbaugrube) nach Nordwest (Zielbaugrube), sodass die Autobahn in einem schleifenden Schnitt unterfahren wird.
 

Beschreibung des Vortriebs des GZA-BAB-Tunnels

Der GZA-BAB-Tunnel weist eine Länge von 171,34 m auf und wird in Spritzbetonbauweise (SBW) aufgefahren. Der SBW-Vortrieb erfolgt ausgehend von der südöstlichen Anschlagwand in Richtung Nordwesten. Dabei unterquert der Vortrieb in jeweils schleifenden Schnitten nacheinander auf einer Länge von ca. 24,0 m eine vorab aufgebrachte Geländeaufschüttung, das sogenannte Kunstbodendach, zudem einen 32,5 m langen unbebauten Abschnitt und auf etwa 82  m Länge die Fahrspuren der A 8 sowie den Lärmschutzwall nördlich der A 8 auf weiteren 32,5 m Länge. Die Überlagerung vergrößert sich dabei in Vortriebsrichtung von etwa 3,0 auf 4,1 m 

Die Kalotte des GZA-BAB-Tunnels kommt komplett in den Auffüllungen des Autobahndamms aus überwiegend bindigen Böden sowie in Sanden und Kiesen zu liegen. Strosse und Sohle befinden sich auf dem ersten Drittel des Vortriebs in festgesteinsartigen Ton- und Tonmergelsteinen; auf der restlichen Vortriebsstrecke verlaufen sie dann in den Lockergesteinsbodenschichten.

Der vorauseilende, mehrfach unterteilte Kalottenvortrieb mit kurz nachlaufendem Ringschluss in Form eines Kalottensohlgewölbes wird über die gesamte aufzufahrende Tunnelstrecke ausgeführt. Die Kalottenfüße der ca. 30 cm starken Spritzbetonschale werden mit 4 bis 12 m langen Kalottenfußpfählen gesichert, die in den tragfähigen Untergrund einbinden. Die Tiefe reicht aufgrund der tief liegenden Felslinie auf bis zu 12 m. Die Sicherung der Ortsbrust erfolgt mit z. T. bewehrtem Spritzbeton und Ortsbrustankern (l = 15 m), die alle 8 m gesetzt werden.

Einsatz eines Rohrschirms

Dem auf ganzer Länge vorlaufend aufgefahrenen Kalottenvortrieb mit ausgebildetem Kalottensohlgewölbe folgt der Strossen-/Sohlenvortrieb.

Die Vortriebsklassen weisen Abschlaglängen für die Kalotte von Lk = 1,0 m bzw. für die Strosse/Sohle Lst = Lso = 2,0 m auf. Beim Vortrieb wird als Voraussicherung ein doppelter Rohrschirm mit einer Länge von 10 m und einem Rohrdurchmesser von D = 140 mm mit Verstärkung durch Stabstahl (GEWI ∅ 63,5 mm) eingebracht. Der Rohrschirm wird nach jeweils vier Kalottenabschlägen (1 × lk = 1,0 m), d. h. nach 4 m Kalottenvortrieb, angesetzt und besteht jeweils aus 27 einzelnen Rohren. Der Rohrschirm hat am Bohrlochtiefsten an der ungünstigsten Stelle einen Abstand zur Fahrbahnoberkante von ca. 1,1 m, wobei der Fahrbahnaufbau, inklusive Frostschutzschicht, ca. 80 cm beträgt. Der gesamte Fahrbahnaufbau darf durch den Rohrschirm nicht tangiert werden. Bei der Herstellung der Rohrschirme wird eine Unterteilung in zwei Bereiche vorgenommen. Demnach werden die jeweils kritischen Rohrschirmrohre im Autobahnbereich nur bei gleichzeitiger Sperrung der sich darüber befindlichen Fahrstreifen der A 8 eingebracht. Um den laufenden Verkehr auf der BAB möglichst wenig zu beeinflussen, erfolgen diese Arbeiten in einem begrenzten Zeitfenster von werktags 20 bis 6 Uhr.

Als kritisch zu betrachten sind diejenigen Rohre, deren Minimalabstand zur Unterkante der Frostschutzschicht der Autobahn weniger als 1 m beträgt. Hierbei variiert die Rohranzahl zwischen 13 Stk. bei Rohrschirm Nr. 7 und 6 Stk. bei Rohrschirm Nr. 28.

Die nicht als kritisch anzusehenden Rohre können ohne Sperrung der darüber befindlichen Fahrstreifen hergestellt werden. Auch die Ausbrucharbeiten können ohne Sperrung der über dem Vortriebsbereich befindlichen Fahrbahnen durchgeführt werden.
 

Verkehrssicherungsmaßnahmen auf der BAB 8

Die zu unterfahrende, sechsspurige BAB mit zwei Standstreifen ist eine wichtige Verkehrsader im Ballungsraum Stuttgart mit starkem Verkehrsaufkommen. Bereits leichte Störungen des Verkehrs wirken sich auf den Verkehrsfluss aus. Beeinflussungen aus dem Tunnelvortrieb auf den Betrieb der BAB müssen folglich auf ein Minimum reduziert oder möglichst ausgeschlossen werden. Eine Sperrung der A 8 kann trotz aller Vorkehrungen erforderlich werden, wenn beim Vortrieb eine Situation entsteht, die den Verkehr auf der A 8 gefährdet, oder wenn der Verkehr auf der A 8 eine Gefährdung des Tunnelvortriebs hervorrufen würde.

Zu den Vorkehrungsmaßnahmen zählen u. a.:

• Vorhalten von Gerät und Personal für eine mittelbare Sperrung von Fahrstreifen oder Vollsperrung,
• Geschwindigkeitsreduzierung auf der Autobahn auf 80 km/h tagsüber und 60 km/h nachts,
• vermessungstechnische Überwachung der A 8,
• Sicherungsposten mit Blick auf die Fahrbahn
   

Vermessungstechnische Überwachung

Für die vermessungstechnische Überwachung werden im Bereich der Unterfahrung der BAB automatische tachymetrische Monitoring-Systeme zur Überwachung der Verformung der Geländeoberfläche installiert. Zusätzlich sind entlang der Vortriebsachsen Oberflächenmesspunkte vorgesehen. Mit Annäherung an den Fahrbahnbereich beträgt der Messpunktabstand 4 m, gemessen in Fahrtrichtung. Die obertägigen Messquerschnitte werden, sofern es die Örtlichkeit zulässt, im Bereich von untertägigen Konvergenzmessquerschnitten angeordnet. Die Messungen werden vollautomatisch mit einem computergesteuerten tachymetrischen Geo-Monitoring-System durchgeführt und ausgewertet. Um Unebenheiten auf der Fahrbahn für alle Nutzenden der A 8 zu visualisieren, wurden LED-Tafeln aufgestellt, die via Mobilfunk mit dem Monitoring-System verbunden sind und im Fall von Grenzwertüberschreitungen die Fahrenden auf eine unebene Fahrbahn hinweisen. Zusätzlich wurden Hinweisschilder aufgestellt, die auf die Laservermessungen hinweisen.

Einsatz von Sicherungsposten

Außerdem wird während der Vortriebsarbeiten ein Sicherungsposten im Bereich der Fahrbahn zur Beobachtung der Oberfläche eingesetzt. Die Autobahnoberfläche wird in den Abend- und Nachtstunden blendfrei ausgeleuchtet. Dies macht die Fahrbahndecke besser sichtbar und sensibilisiert Vorüberfahrende für die Bauaktivitäten im Bereich des GZA-BAB-Tunnels.
 

Risikobeurteilung

Für die Planung von Vortrieb und Sicherung des GZA-BAB-Tunnels wurden Szenarien bzw. Ereignisse betrachtet, die Gegensteuerungsmaßnahmen erfordern. Dazu zählen u. a.:

• Vertikalverformungen der Firste oder der Kalottenfüße,
• Horizontalverformungen der Ulme,
• Instabilitäten der Ortsbrust,
• Oberflächensetzungen,
• Wasserzutritte.
   

Für die jeweiligen Szenarien sind Warn-, Alarm- und Grenzwerte definiert und zugehörige Zusatzmaßnahmen bei Überschreitung der Werte festgelegt. Die zulässigen Verformungswerte für Setzungen und Setzungsdifferenzen sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Bei der Herstellung der Baustraßenanschlussstelle ca. 250 m östlich des GZA-BAB-Tunnels wurden im Lärmschutzwall große, stark bewehrte Stahlbetonbrocken aufgetan, die im Zuge der Herstellung in den 1970er-Jahren dort verbaut worden waren. Die Annahme, diese Brocken – als mögliche Hindernisse im Vortrieb – auch im Bereich der Querung des GZA-BAB-Tunnels anzutreffen, wurde durch weiterführende Schürfe bestätigt. Das Beherrschen der etwaigen Stahlbetonreste im Lärmschutzwall erfordert ggf. Sondermaßnahmen bei der Herstellung der Rohrschirme und beim Ausbruch.
 

Vorabmaßnahmen

Aufgrund der geringen Überlagerung besteht das Risiko der Beschädigung von Leitungen im Bereich des Mittelstreifens bzw. an der Nordseite der Autobahn. Eine Leitung DN 300 befindet sich im Mittelstreifen und in einer Tiefenlage von ca. 2,0 m (Unterkante). Damit reicht die Leitung bis in die Ebene des Rohrschirms, weshalb nicht ausgeschlossen werden kann, dass beim Einbringen der Rohrschirme die Entwässerungsleitung beschädigt wird. Eine Leitung DN 1.000 verläuft an der Nordseite der Autobahnfahrspuren im Fußbereich des Lärmschutzwalls. Die Tiefenlage der Rohrsohle von ca. 2,5 m unter der Fahrbahn bzw. des nördlichen Randstreifens führt ebenfalls zu einem Konflikt mit dem herzustellenden Rohrschirm. Für beide Leitungen wurden Ersatzmaßnahmen installiert.
 

Geotechnisches Messkonzept für obertägige Messungen

Die angegebene Verformungsprognose geht unter Verwendung von mittleren Berechnungsparametern von einer Verformung von ca. 27 mm aus. Bei Verwendung von ungünstigen Parametern tritt eine Verformung von ca. 31 mm auf.

In den angegebenen Werten sind keine vorlaufenden Verformungen enthalten, z. B. aus der Rohrschirmherstellung und/oder aus der Wasserhaltung. Die Breite der Setzungsmulde beträgt rund 20 m. Das Messsystem umfasst vollautomatische Messungen durch motorisierte elektronische Präzisionstachymeter mit automatischer Zielerfassung. Die Messpunktausbildung und -anordnung entspricht den hohen Anforderungen hinsichtlich der Messgenauigkeit während der Rohrschirmherstellung.
 

Jedes Tachymeter mit Kommunikationseinheit ist eine Messstation. Für die Messung im Bereich der A 8 werden vier Messstationen mit ca. 4 m Höhe gegenüber den zu messenden Objekten errichtet. Die Messstationen werden neben der Fahrbahn auf der nördlichen und südlichen Autobahnseite errichtet, um die Fahrbahnränder auf der Innenseite und auch die gegenüberliegenden Messpunkte im Mittelstreifen der Autobahn und auf den Fahrspuren entlang der Tunnelachse erfassen zu können.

Die Höhenmesspunkte werden im Bereich der Grünstreifen etwa 1 m neben den Fahrbahnrändern im Abstand von ca. 8 m angeordnet und als sogenannte überfahrbar ausgebildete Messpunkte eingerichtet. Diese bestehen aus einem Kreuzanker, ca. 5 cm unter Geländeoberkante (GOK) eingeschlagen, darauf aufgestecktem Kunststoffrohr mit Sollbruchstelle und einem Miniprisma. Zusätzlich wird die Asphaltoberfläche der Fahrbahn im obertägigen Verlauf der Tunnelachse durch ein kombiniertes Messverfahren aus reflektorloser und mit Prismen gestützter Messung in Profilen im Abstand der Rohrschirmenden (ca. 4 m) überwacht. Die reflektorlosen Messpunkte werden in der Flucht auf und zwischen den Markierungen der Fahrbahn vorgesehen.

Während der Herstellung der Rohrschirme in der Nacht werden die Fahrspuren im Einflussbereich über dem Tunnel gesperrt und der Verkehr ferngehalten. Um die Zuverlässigkeit der Messungen im Arbeitsablauf der Rohrschirmherstellung zu erhöhen, werden die Oberflächenmessungen der Objektpunkte im Bereich der BAB in eine mit Prismen unterstützte Messung überführt und fortgesetzt. Die Vermarkung der Objektpunkte erfolgt mit einem Messbolzen, der in einem vorher hergestellten Bohrloch in der Asphaltdecke mit einem Zwei-Komponenten-Klebstoff verklebt wird. Für die Messung werden ein Messingadapter mit M8-Gewinde und Steckzapfen für die Aufnahme eines Prismas im Messbolzen montiert. Nach Beendigung der untertägigen Rohrschirmarbeiten und nach dem Rückbau der Fahrspur-Einengungen werden die Prismen mit dem Messingadapter zurückgebaut und das Gewinde mit einer Schutzschraube verschlossen. Die Objektpunktmessungen werden daraufhin bis zur nächsten Fahrspursperrung reflektorlos weitergeführt. Neben den BAB-Objektpunkten sind weitere Monitoring-Punkte in den Böschungsbereichen der nördlichen und südlichen Tunnelportalabschnitte in vier Messquerschnitten vorgesehen. Der Abschnitt des Kunstbodendachs auf der GZA-BAB-Südseite wird beidseitig mit weiteren Objektpunkten verdichtet. Die Messwerte aller Messpunkte werden stündlich abgerufen. Die gemessenen Absolutwerte der Setzungen werden umgehend auf Schwellenwertüberschreitung überprüft und der Messdurchlauf durch die nachträgliche Messung der zuvor nicht messbaren Punkte abgeschlossen. Nach Abschluss der Messung aller Messpunkte, unter Beteiligung der vier Messstationen, erfolgt die Auswertung der Setzungsdifferenz in Form von Mulden und Querschnitten. Der Bereich der jeweils aktuellen Vortriebsarbeiten wird unter Einbeziehung der Bauüberwachung festgelegt und erstreckt sich etwa über die Länge des zuletzt hergestellten Rohrschirms. Die darin enthaltenen Messpunkte werden im Zeitabstand von ca. 5 min gemessen und hinsichtlich der Setzungswerte ohne Muldenbetrachtung ausgewertet. Bei der Auswertung werden alle Messpunkte über Tunnelfirste, Messquerschnitte, Messpunkte am Fahrbahnrand und reflektorlose bzw. kombinierte Messpunkte zusammen betrachtet. Auswertungen werden für die fahrdynamische Betrachtung in Fahrtrichtung auf der BAB und aus tunnelbautechnischer Sicht rechtwinklig zur Tunnelachse vorgenommen. Die Berechnung der Mulden erfolgt über die Berechnung der Neigungsänderung gegenüber der Neigung aus der Nullmessung. Alle Daten werden vortriebsbegleitend mit Bezug zum Vortriebsstand visualisiert und überwacht.
 

Geotechnisches Messkonzept für untertägige Messungen

Die untertägigen Messpunkte werden an die obertägige Lage der Messpunkte entsprechend dem 4-m-Takt der Rohrschirmhertellung angepasst und ca. 80 cm hinter dem vorangegangenen Rohrschirmansatzpunkt angeordnet. Die Warn-, Alarm- und Grenzwerte sind in Tabelle 1 definiert.