Der Baugrund von Stuttgart und seine Auswirkungen auf den Tunnelbau

Stuttgart 21 ist aktuell immer noch ein Dauerbrenner in den Medien, aus verschiedenen Gründen. Bereits vor über zwei Jahren habe ich einen Vortrag im Rahmen meines Studiums gehalten, der sich mit dem Thema Tunnelbau und den damit verbundenen Risiken, insbesondere dem Stuttgarter Baugrund und dem tunnelreichen Projekt Stuttgart 21 befasst. Vielleicht kann sich ja der ein oder andere für dieses Thema ebenfalls begeistern, über Feedback würde ich mich freuen.

Überblick & Zusammenfassung

Mit dem Projekt Stuttgart 21 läuft das derzeit größte Eisenbahnbauprojekt seit dem 19. Jahrhundert in Baden-Württemberg. Ziel ist die Modernisierung alter Strecken, um sie tauglich für moderne Schnellzüge zu machen – dabei ist das Projekt nicht unumstritten, Kritiker bemängeln die hohen Kosten und den Aufwand im Vergleich zum Nutzen für die Bevölkerung.

Mit dem Projekt müssen auch viele Tunnels gebaut werden. Die Bodenschichten im Stuttgarter Baugrund sind dabei nicht als unkritisch anzusehen. Im Lias alpha ist aufgrund geologischer Vorbelastungen mit hohen Horizontalspannungen zu rechnen, und der unausgelaugte Gipskeuper birgt ein hohes Risiko aufgrund seines quellfähigen Anhydrits.

Das Projekt „Stuttgart 21“

Beim Projekt Stuttgart 21, bzw. der Neubaustrecke Wendlingen-Ulm handelt es sich um das größte Ausbauprojekt im Schienenverkehr seit dem 19. Jahrhundert in Baden-Württemberg. Die bisherige Strecke von Stuttgart nach Ulm ist bereits seit 1850 in Betrieb. Aufgrund der Streckencharakteristik mit vielen Steigungen und vielen Kurven, welche teilweise Kurvenradien von unter 300 m aufweisen, ist hier ein schneller Reiseverkehr, wie er in der modernen Eisenbahn notwendig ist, nicht möglich. Teilweise sind nur Maximalgeschwindigkeiten von ca. 70 km/h möglich.

Abbildung 1 – Neubaustrecken im Projekt Stuttgart 21

Weitere wichtige Bestandteile von Stuttgart 21 ist der Neubau des Stuttgarter Hauptbahnhofes – dieser wird von einem überirdischen Kopfbahnhof in einen unterirdischen Durchgangsbahnhof umgebaut. Dies bringt auch viele neue Möglichkeiten für die Stuttgarter Innenstadt, da das oberirdische, großflächige Schienennetz ebenfalls abgerissen werden kann. Einen Anschluss des Flughafens an die Neubaustrecke wird es ebenfalls geben – hierfür wird der Fildertunnel gebaut. Man verspricht sich, dass der Flughafen vom Hauptbahnhof mit dem ICE in wenigen Minuten zu erreichen sein wird. Im Rahmen von Stuttgart 21 werden 33 km Tunnelstrecke in insgesamt 16 Tunneln gebaut werden.

Beispiel: Hasenbergtunnel

Abbildung 2 – Verlauf des Hasenbergtunnels durch die verschiedenen Bodenschichten

Am Beispiel des Hasenbergtunnels wird deutlich, mit welchen Bodenschichten es die Tunnelbauer im Gebiet um Stuttgart zu tun haben. Der Hasenbergtunnel ist ein S-Bahntunnel mit einer Gesamtlänge von 5500 m. Im oberen Bereich führt er durch den Lias alpha (Bereich Haltestelle Universität), und verläuft dann bergab durch den Knollenmergel, den Stubensandstein und weitere Sandsteinschichten, sowie den ausgelaugten Gipskeuper. Während der Tunnelbaumaßnahmen für die Tunnels von Stuttgart 21 wird noch eine weitere Schicht eine zentrale Rolle spielen: der unausgelaugte Gipskeuper. Auf alle diese Schichten wird nun im Folgenden weiter eingegangen.

Bodenschichten – Lias alpha

Lias alpha besteht überwiegend aus Tonschluffsteinen (alpha 1) und der Wechsellagerung aus Kalksteinen/Kalksandsteinen und Tonschluffsteinen (alpha 2). Der Tonschluffstein ist ein veränderliches Gestein, welches bei Austrocknung und Wiederbefeuchtung zerfällt. Im Zuge des Baus des Hasenbergtunnels wurde der Bau des Schachtes der Station Universität vorgezogen. Wie in Abbildung 2 zu erkennen liegt dieser im Lias alpha 1 und ragt bereits in den Knollenmergel hinein. Der Bau wurde mit einem Mess- und Versuchsprogramm begleitet, bei dem Scherversuche, Druckkissenversuche, Dilatometerversuche und Primärspannungs- und Ultraschallmessungen durchgeführt wurden. Dabei wurde festgestellt, dass die Tonschluff- und Kalk(sand-)steine von horizontalen, unebenen Schichtfugen durchzogen sind, welche wiederum in orthogonal verlaufende vertikale Kluftschare zerlegt sind. Wegen dieser ausgeprägten Schichtung kann der Lias alpha im elastischen Bereich als vertikal isotrop angesehen werden.

Abbildung 3 – Geologisches Schichtmodell des Lias alpha

Die Tonschluffsteine sind eher gering durchlässig, die Kalksteine hingegen weisen aufgrund ihrer Klüftung eine stärkere Durchlässigkeit in horizontaler Richtung auf. In den Tonschluffsteinen sind bereichsweise hohe Horizontalspannungen wirksam. Dies resultiert vermutlich aufgrund der geologischen Vorbelastung. In geologischen Zeiten reichten die Braun- und Weißjuraschichten der Schwäbischen Alb mit einer Dicke von bis zu 650m bis in das Gebiet von Stuttgart hinein.

Abbildung 4 – Gemessene horizontale Verschiebungen in der Baugrube Universität. Die gemessenen Werte liegen zwischen 20 mm (in Wandnähe) und 65 mm (im Zentrum). Sie resultieren hauptsächlich durch Entspannung der Beugrubenwände und Umlagerung der Spannungen in größere Tiefen.

Abbildung 5 – Zusammenhang zwischen Wassergehalten der Tonschluffsteine und den zusätzlichen Horizontalspannungen

Durch Untersuchungen in bereits bestehenden Tunneln im Gebiet von Stuttgart und weiteren Projekten wurde festgestellt, dass zusätzliche Horizontalspannungen auch abhängig vom Grad der Verwitterung, also auch vom natürlichen Wassergehalt der Tonschluffsteine sind. Die Tunnels für das Projekt Stuttgart 21 liegen alle im Bereich von 8 – 11 % Wassergehalt in Tonschluffsteinen, wodurch zusätzliche Horizontalspannungen von 1 MN/m^2 zu erwarten sind.

Bodenschichten – Knollenmergel

Beim Knollenmergel handelt es sich um gering durchlässige Tonsteine. Er zeichnet sich vor allem durch die Existenz von Harnischen aus, die sehr glatt und teilweise uneben sind. Sie weisen eine geringe Scherfestigkeit auf. Man geht davon aus, dass sie beim Abtrag der zusätzlichen Auflast im Lias alpha entstanden sind.

Bodenschichten – Stubensandstein

Abbildung 6 – Ausbruch im Stubensandstein

Der Stubensandstein weist in Stuttgart eine Mächtigkeit von etwa 80 m auf, bestehend aus Sand- und Schluffsteinschichten. Die eingelagerten Schluffsteine wirken oft als Wasserstauer, was beim Tunnelbau berücksichtigt werden muss. Um Nachbrüche zu vermeiden, versucht man durch vorauseilende Bohrungen die herrschenden Wasserdrücke abzubauen. Viele Tunnels im Projekt Stuttgart 21 verlaufen im Stubensandstein unterhalb des Grundwasserspiegels, weshalb schnelle Sicherungen beim Tunnelbau unabdingbar sind.

Bodenschichten – Unausgelaugter Gipskeuper

Abbildung 7 – Aufbau des unausgelaugten Gipskeuper

Der unausgelaugte Gipskeuper weist eine horizontale Schichtung auf, welche schwache vertikale Klüftungen besitzt. Er ist sehr gering durchlässig. Beim Tunnelbau in diesem Gestein ist es wichtig, den hohen Anteil an Anhydrit zu berücksichtigen. Beim Kontakt von Anhydrit mit Wasser kommt es zu einer Umwandlung in Gips und damit zu einer theoretischen Volumenvergrößerung von 61 %.

Abbildung 8 – Volumenzunahme bei der Umwandlung von Anhydrit in Gips durch Zugabe von Wasser

Es besteht somit die Gefahr von Sohlhebungen – die Sohle muss also gesichert werden. Beim Bohren darf kein Wasser (zur Kühlung) verwendet werden und der entstehende Staub darf nicht mit Wasser niedergeschlagen werden. Andererseits kann man aber nicht jeglichen Wassereinbruch verhindern: Infolge einer Tunnelröhre kommt es beispielsweise zur Entspannung des Gesteins, wodurch unkontrolliert neue Hohlräume entstehen und als Wasserleiter dienlich sind. Frühere Bohrlöcher, die beispielsweise bei der Vorauserkundung gebohrt worden sind, können ebenfalls zum Wasserleiter werden.

Falls quellbedingte Hebungen unterdrückt werden, kommt es also zu Quelldrücken. Die Quellgeschwindigkeiten sind dabei unterschiedlich groß, Proben haben gezeigt, dass ein aufquillen von 10 cm bereits in den ersten vier Stunden erreicht werden kann, und schließlich über einen Zeitraum von fünf Monaten auf bis zu 65 cm ansteigen kann. Die Forschungen hierbei sind allerdings noch nicht abgeschlossen, andere Proben begannen z.B. erst nach einem Jahr mit dem Aufquillen. Mögliche Quellkriterien sind also zum einen die Verfügbarkeit von Wasser selbst, dann die Durchlässigkeit des Gebirges (und die Frage, ob konstanter Wasserzufluss möglich ist), und schließlich der Geschwindigkeit der Gipsbildung.

Bodenschichten – Ausgelaugter Gipskeuper

Im Gegensatz zum unausgelaugten Gipskeuper zeigt der ausgelaugte Gipskeuper keine Quellerscheinungen mehr, da er bereits im geologischen Zeiträumen ausgequollen ist. Dementsprechend hat er auch einen höheren Wassergehalt mit Werten von 18 – 20 %. Der ausgelaufte Gipskeuper besitzt viele Hohlräume und hat eine geringe Festigkeit und starke Verformbarkeit. Um also ein Zusammensacken der neuen Tunnelröhre zu vermeiden, sollte direkt beim Ausbruch des Tunnels eine Spritzbetonsicherung eingebracht werden.

Beispiel: Fildertunnel

 

Abbildung 9 – Verlauf des Fildertunnels durch die verschiedenen Bodenschichten

Der Fildertunnel ist Teil der Verbindung des zukünftigen Stuttgarter Hauptbahnhofes und dem Flughafen. Er wird der längste Doppelröhren-Eisenbahntunnel Deutschlands werden, mit einer Gesamtlänge von 9,5 km. Ein ICE wird ihn theoretisch mit einer Geschwindigkeit von 250 km/h durchfahren können. Der Baubeginn ist für 2011 angesetzt, die Inbetriebnahme für 2018, wenn die gesamte Neubaustrecke Wendlingen-Ulm in Betrieb genommen werden soll.

Der Fildertunnel verläuft allein auf einer Länge von 4300 m durch den unausgelaugten, quellfähigen Gipskeuper.

Ausblick

Abgesehen von den politischen Quälereien rund um Stuttgart 21, die ich versucht habe, weitestgehend außen vor zu lassen, ist das Bauprojekt auch vor allem in geotechnischer Hinsicht ein äußerst spannendes und herausforderndes Thema. Nicht zuletzt ist das Projekt bekanntermaßen seit knapp 20 Jahren in Planung.

Der Vortrag wurde im Rahmen des Seminars „Aktuelle Forschungsthemen der Angewandten Geologie“ im Wintersemester 2008/09 an der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel von mir ausgearbeitet und vorgetragen. Dies ist eine Zusammenfassung. Falls Fragen oder Anregungen bestehen, oder Interesse an Weiterverwendung des Inhaltes – auch in Auszügen – besteht, bitte ich um Kontaktaufnahme per E-Mail.

Abbildungsverzeichnis

1. http://de.wikipedia.org/wiki/Stuttgart_21
2. modifiziert nach: Geotechnik 31 (2008) Nr.2
3. modifiziert nach: Geotechnik 31 (2008) Nr.2
4. modifiziert nach: Geotechnik 31 (2008) Nr.2
5. modifiziert nach: Geotechnik 31 (2008) Nr.2
6. aus: Geotechnik 31 (2008) Nr.2
7. modifiziert nach: Geotechnik 31 (2008) Nr.2
8. Timo Zander
9. modifiziert nach: Geotechnik 31 (2008) Nr.2

Referenzen

• Geotechnik 29 (2007) Nr. 4 Nied, Joachim; Marquart, Peter; Planung, Realisierung und Geologie der Großprojekte Stuttgart 21 und NBS Wendlingen-Ulm, S. 225-230
• Geotechnik 31 (2008) Nr. 2 Wittke, Walther, Felsmechanische Eigenschaften des Stuttgarter Baugrunds und ihre Auswirkungen des Stuttgarter Baugrunds und ihre Auswirkungen auf den Tunnelbau, S. 101-107
• Georgios Anagnostou, Untersuchungen zur Statik des Tunnelbaus in quellfähigem Gebirge, Institut für Geotechnik – Eidgenössische Technische Hochschule Zürich, vdf-Verlag
• WBI Letter Dezember 2005