Einschalige Bauweise bei seichtliegenden Tunnelbauwerken ohne Dichtung

INHALTSVERZEICHNIS:

Vorwort

Kurzfassung

Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung und Zielsetzung
1.1 Einleitung
1.2 Zielsetzung
1.3 Vorgangsweise

2. Einschalige Tunnelbauweise
2.1 Allgemein
2.1.1 Stand der Technik
2.2 Neue Österreichische Tunnelbauweise
2.2.1 Vorraussetzungen für die Anwendbarkeit
2.2.2 Kriterien für die Anwendung
2.3 Statik
2.4 Tunnelabdichtung
2.4.1 Wasserschutz allgemein
2.4.1.1 Erforderlicher Grad der Dichtigkeit
2.4.2 Anforderungen aus Geologie und Hydrologie
2.4.3 Materialanforderungen
2.4.4 Dichtigkeitsanforderung an ein in einschaliger Tunnelbauweise ohne Dichtung ausgeführtes Bauwerk
2.4.5 Abdichtungssysteme
2.5 Spritzbeton / Allgemein
2.5.1 Trockenspritzverfahren
2.5.2 Nass-Spritzverfahren
2.5.3 Komponenten des Spritzbetons

3 . Vorversuche zur Realisierung des Neuen Konzepts
3.1 Vorraussetzungen und Ziele
3.2 Verfahrenstechnik
3.2.1 Schretter - Halbnass - System
3.2.1.1 Beschreibung
3.2.1.2 Vorteile
3.3 Entwicklung eines WU - Spritzbeton
3.3.1 Spritzbetonrezeptur mit Beschreibung der verwendeten Produkte
3.3.1.1 Mischungen
3.3.1.2 Rezeptur der Probe IV
3.3.1.3 Verwendete Komponenten
3.3.2 Laborversuchsergebnisse
3.3.2.1 Druckfestigkeit
3.3.2.2 Biegezugfestigkeit
3.3.2.3 Haftzugfestigkeit / E -Modul
3.3.2.4 Festigkeitsdiagramm
3.3.2.5 Schwinden

4. Vorarbeiten zum Praxisversuch
4.1 Aufgaben im Vorfeld
4.2 Versuchsstollen
4.2.1 Örtliche Situation
4.2.2 Geometrie
4.2.3 Geologie
4.3 Baustelleneinrichtung
4.3.1 Geräte / Maschinen
4.3.1.1 Betonspritzmaschine AL-285.1
4.3.1.2 Mischer
4.3.1.3 Silo
4.3.1.4 Kompressoren
4.3.2 Gerüstung Seite
4.4 Oberflächengestaltung
4.5 Versuchsanordnung
4.6 Material / Funktion

5. Praxisversuch
5.1 Komponenten des Systems
5.2 Ausgleichsschicht
5.2.1 Spritzverfahren der Ausgleichsschicht
5.2.2 Spritzbeton der Ausgleichsschicht
5.2.3 Druckfestigkeiten
5.2.4 Fertigung der Ausgleichschicht
5.2.5 Montage der Druckrohre
5.3 Erste Lage der Spritzbetonkonstruktion (Außenschale)
5.3.1 Spritzverfahren der Außenschale
5.3.2 Spritzbeton der Außenschale
5.3.3 Druckfestigkeiten
5.3.4 Fertigung der Außenschale
5.3.5 Anbohren der Druckrohre
5.3.6 Montage des Sohlabschlusses
5.4 Zweite Lage der Spritzbetonkonstruktion (Innenschale)
5.4.1 Spritzverfahren der Innenschale
5.4.2 Spritzbeton der Innenschale
5.4.3 Druckfestigkeiten
5.4.4 Fertigung der Innenschale
5.4.5 Nachbehandlung

6. Prüfung des Systems
6.1 Prüfungsmodi
6.1.1 Einzelergebnis
6.1.2 Rissverhalten
6.1.3 Bohrkernuntersuchungen
6.1.3.1 Dichtigkeitsprüfung

7. Erkenntnisse und Bewertung
7.1 Zusammenfassung
7.1.1 Dichtigkeit des Systems und Anwendbarkeit in der Praxis

8. Abbildungsverzeichnis

9. Literaturverzeichnis

10. Verpflichtungserklärung

VORWORT

Die Idee, sowie die Anregung, mich mit dem Thema:

„Einschalige Bauweise bei seichtliegenden Tunnelbauwerken ohne Dichtung.“

zu beschäftigen stammt von Prof. Dr. LUKAS Walter, wofür ich mich bedanken möchte. Die Aufarbeitung dieses Themas hat mir viel Freude bereitet.

Bedanken möchte ich mich an dieser Stelle auch bei Herrn DRAXL Rainer und Herrn DI FEICHTER Roland für das hilfreiche zur Seite stehen während meiner Diplomarbeit.

Zum Schluss sei noch meine Freundin Anette erwähnt, die mich seit einem Jahr immer wieder inspiriert und an meiner Seite steht.

DANKE.

INNSBRUCK, im Juli 2002.

KURZFASSUNG:

Diese Arbeit prüft, ob eine „Einschalige“ Tunnelbauweise ohne Dichtung für ein seichtliegendes Tunnelbauwerk einsetzbar ist.

Hauptsächlich wird die praktische Anwendbarkeit bezüglich Dichtigkeit einer neu konzipierten Innenschale aus Spritzbeton im Großversuch behandelt. Der Nachweis für den statischen Verbund zwischen Außen, - und Innenschale ist dabei nicht Gegenstand dieser Arbeit.

Eigene Kapitel behandeln die Einschalige Tunnelbauweise allgemein, die erforderliche Spritzbetontechnologie und Verfahrenstechnik, sowie die Zusammensetzung dieses eigens entwickelten WU - Spritzbetons.

Im Großversuch wurde eine Tunnelinnenschale im Maßstab 1 : 1 aus einem speziell entwickelten WU - Spritzbeton mit spezifischen Eigenschaften, wie hohe Endfestigkeit, Dauerhaftigkeit und geringem Schwinden auf Wasserdichtigkeit geprüft.

In einer Tunnelröhre mit einem Durchmesser von 5,6 [m] wurde eine Außenschale mit einer Dicke von 25 [cm] mit konventioneller Spritzbetonzusammensetzung und eine Innenschale von 17 [cm] aus Spritzbeton mit neuer Zusammensetzung aufgetragen. Die Ausbruchsgeometrie der Versuchsstrecke war durch einen bereits ausgebrochenen Tunnelquerschnitt vorgegeben. Auf eine Egalisierungsschicht wurden gelochte Bewässerungsrohre aus PE verlegt und die Tunnelinnenschale dadurch mit einem Wasserdruck von max. 20 [MWS], in Druckstufen beaufschlagt. Nach Aufbringen des Druckes über einen längeren Zeitraum kann über die erzielte Dichtigkeit des Systems eine Aussage getroffen werden. Es war eine Blocklänge von 10 [m] für die Versuchsdurchführung vorgesehen.

In der vorliegenden Arbeit wird besonderes Hauptaugenmerk auf die Herstellung einer wasserdichten Innenschale mit neuer Verfahrenstechnik gelegt, bei der eine spezielle Zusammensetzung des Spritzbetons die Mikrorissbildung verhindert, sowie in der Schwindreduzierung neue Maßstäbe setzt.

1. Einleitung und Zielsetzung

1.1 Einleitung

Im modernen Felshohlraumbau steht zur endgültigen Auskleidung eines Ausbruchsquerschnittes eine Palette von Möglichkeiten zur Verfügung. Die gebräuchlichsten Endausbauarten sind Ortbetonschale, Spritzbetonauskleidung und Fertigteile. Der Einsatz dieser Möglichkeiten orientiert sich an den statischen Erfordernissen, dem Verwendungszweck, der Geologie, der Wirtschaftlichkeit und gestalterischen Gesichtspunkten.

Betrachten wir nun standfestes Gebirge, so besteht auch hier meist die Notwendigkeit, den Ausbruch zu verkleiden. Zwar hat eine Endauskleidung im standfesten Gebirge keine statische Funktion (Aufnahme von Gebirgsdruck bzw. Ermöglichung der Bildung eines Gebirgstragringes), so fallen ihr im Einzelnen aber noch andere sehr wesentliche Aufgaben zu:

- Oberflächenversiegelung, d.h. Rückhalt von Felsstücken. Durch Spritzbeton wird die Bewegung einzelner Felsblöcke verhindert.
- Dichtung gegen Wasser von Innen.
- Dichtung gegen Wasser von Außen.

Die Anwendung von Spritzbeton zur Auskleidung stellt eine Variante dar, bei der in nur einem Arbeitsgang allen gestellten Anforderungen nachgekommen werden kann. Ergänzend dazu ist man bestrebt, um die Forderung der Wirtschaftlichkeit zu befolgen, die aufgebrachte Schalendicke so gering wie möglich zu halten. Hier stellt die Einschalige Tunnelbauweise ohne Dichtung eine perfekte Alternative zur zweischaligen Tunnelbauweise dar.

Ob die Einschalige Tunnelbauweise aber auch alle technischen Anforderungen erfüllen kann, bedarf es eingehender Untersuchungen.

Diese sind:

1. Einen Nachweis für den statischen Verbund zwischen Außen, - und Innenschale, sowie dem damit verbundenen statischen Mitwirken der Außenschale. (Ist nicht Gegenstand dieser Arbeit).
2. Die Herstellung einer wasserdichten Innenschale aus Spritzbeton mit spezifischen Eigenschaften, wie hohe Endfestigkeit, Dauerhaftigkeit und geringem Schwinden.

1.2 Zielsetzung

Ziel dieser Arbeit war es, einen im Labor entwickeltem WU – Spritzbeton zur Herstellung einer wasserdichten Innenschale im Großversuch auf der Baustelle im Maßstab 1:1 auf Wasserdichtigkeit zu prüfen, wodurch eine Folienabdichtung (zweischalige Tunnelbauweise), bzw. eine aufspritzbare Kunststoffabdichtung (einschalige Tunnelbauweise) entfallen könnte. Diese Abdichtungsmaßnahmen waren bisher nötig, da auf Grund der Form der Innenschale und des Schwindens feine Risse in der Innenschale entstehen können , die im ungünstigsten Fall zu einer Wasserdurchlässigkeit führen können.

Hierfür war es nötig eine vorbelastete Außenschale in ein statisches Konzept zu integrieren, sowie eine wasserdichte Innenschale aus Spritzbeton herzustellen und zu einem gesamten System zusammenzufügen.

1.3 Vorgangsweise

In einem ersten Schritt wird dabei die Einschalige Tunnelbauweise, die angewandte Spritzbetontechnologie bzw. Technik und die Versuchsmethodik theoretisch erläutert.

In einem zweiten Schritt wird ein Großversuch im Maßstab 1:1 auf der Baustelle durchgeführt und die Dichtigkeitsprüfung unter weitgehend realen Bedingungen durchgeführt.

Parallel wird eine Dichtigkeitsprüfung am Labormodell durchgeführt, wobei die Ergebnisse am Ende der Arbeit gegenübergestellt werden.

Vorgangsweise :

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2. Einschalige Tunnelbauweise

2.1 Allgemein

Eine endgültige Tunnelauskleidung hat eine Vielzahl von Einwirkungen aufzunehmen. Im Wesentlichen sind dies:

- Aus dem Gebirge:

- Gebirgsdrücke aller Art (Eigenlast, Entspannungsdrücke, Kriechdrücke, Quelldrücke)
- Bergsenkung, Erdfälle
- Erdbeben
- Wasserdrücke
- Chemische Angriffe durch aggressives Wasser oder aggressive Baugrundbestandteile

- Aus Bauzuständen

- Bauzustände wie Eigenlast im jungen Zustand, Zwischenbauzustände mit Teilauskleidung des Querschnittes
- Abfließen der Hydrationswärme, Schwinden
- Ringspaltverpressung, Firstverpressung
- Transportzustände bei Fertigteilen (Tübbinge, Fertigteilrohre)
- Pressenkräfte, Nachläuferlasten

- Aus der Nutzung

- Temperatureinwirkungen aus Luft oder von Abwässern und dergleichen
- Chemische Angriffe durch Gase, Abwasser, Tausalz und dergleichen
- Einwirkungen aus Verkehr
- Geschiebe – oder Steintransport bei Triebwasserstollen
- Feuer bei Verkehrsbauten

"Für diese Einwirkungen muss die endgültige Tunnelauskleidung in statischer und konstruktiver Hinsicht dimensioniert werden."[1]

Die in einem Gebirge mit nicht ausreichender Standzeit aufgefahrenen Tunnel erfordern den Einbau von Sofortsicherungsmaßnahmen, die die Eigentragfähigkeit des Gebirges unterstützen und verbessern.

Die Tragfähigkeit des Gebirges kann durch eine biegeweiche, verformbare Randverstärkung erhöht werden, welche somit auch möglichst früh eingebracht werden soll.

Das Gebirge wird zudem in seinem Kluftkörperverband erhalten, wodurch Nachbrüche und Auflockerungen, welche die Geometrie des Traggewölbes stören, weitgehend reduziert bzw. vermieden werden können.

Dazu wird nach der Öffnung des Hohlraumes sofort eine Spritzbetonschale (Außenschale) aufgebracht, um das Gebirge zu versiegeln und um einer Gebirgsauflockerung entgegen zu wirken.

Üblicherweise wird nach dem vollständigen Auffahren des Tunnels mit Hilfe einer Gleitschalung (Schalwagen) eine Innenschale aus Ortbeton eingebaut. Diese übernimmt die tragende Wirkung für den Gebrauchszustand.

"Man geht bei der Bemessung des Ausbaues bei der zweischaligen Tunnelbauweise ohne Verbund zwischen Außen, - und Innenschale davon aus, dass im Bauzustand die Belastung auf die Tunnelschale infolge Gewölbewirkung auf ca. 50% der Primärspannung reduziert wird. Diese reduzierte Belastung soll vom Spritzbetonausbau (Außenschale) aufgenommen werden. Im Endzustand soll die Belastung wieder auf die volle Primärspannung ansteigen und ganz von der Innenschale aufgenommen werden."[2]

Zudem übernimmt die Innenschale die Dichtfunktion.

Man geht davon aus, dass die provisorische Tunnelsicherung aus Spritzbeton langfristig zerfällt, so dass alle Lasten von der nachträglich eingebrachten Innenschale aufgenommen werden müssen. Die Spritzbetonaußenschale ist also bisher in vielen Bereichen nur als vorübergehendes Stützmittel betrachtet worden.

2.1.1 Stand der Technik

Infolge des steigenden finanziellen Drucks ist das Interesse an einschaligen Tunnelauskleidungen während der letzten Jahre stark gestiegen. Der Grundgedanke liegt darin, die Außenschale so zu gestalten, dass sie als permanente Sicherung integriert werden kann.

Dadurch kann der gesamte Ausbau der Tunnelschale um ca. 30% reduziert werden. Alle statischen und konstruktiven Anforderungen der Tunnelauskleidung werden somit von einem Schalenteil erfüllt, der aus einer oder mehreren Schichten Spritzbeton besteht, die untereinander im Verbund sind.

In der Vergangenheit konnte Spritzbeton nur in einer minderen Qualität hergestellt werden (C25/30/XC1). Durch die relativ schlechte Endqualität wird dieses Material nur für Stützmaßnahmen herangezogen und ist, wie vorhin erwähnt nicht in das statische Konzept mit einzubeziehen, so dass jegliche statische Beanspruchung von der Innenschale aufzunehmen war.

Tatsächlich beteiligt sich aber die Außenschale ebenfalls an der Tragwirkung des Ausbaus, in einem zurzeit noch unbekannten Maß, wodurch man mit einer neu erfolgten Dimensionierung der Innenschale ein mehr an Sicherheit bzw. eine wirtschaftlichere Konstruktion erreicht.

"Durch Verwendung des einschaligen Tunnelbaus können durch den geringen Bodenaushub und Betonverbrauch Kosten zwischen 10 und 20% eingespart werden (Bauwerksqualität und Kosten für Instandsetzung nicht berücksichtigt). [2]

Ein gravierendes Problem, das beim einschaligen Tunnelbau jedoch auftritt, ist die Abdichtung gegen drückendes Bergwasser. Diese Problematik liefert die Grundlage dieser Diplomarbeit und wird sowohl theoretisch, als auch praktisch im Zuge eines Großversuches im Maßstab 1:1 behandelt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 1 : Schalenaufbau

1-Außenschale

2-Innenschale

14-Ausgleichsschicht

2.2 Neue Österreichische Tunnelbauweise

Grundsätzliche Vorraussetzungen für die Anwendbarkeit von einschaligen Tunnelbauweisen, die vorwiegend in der bergmännischen Bauweise aufgefahren werden, bilden die Grundsätze der Neuen Österreichischen Tunnelbauweise. Aus diesem Grund wird die NÖT hier kurz erläutert.

Überwiegend in den Jahren 1957 – 1965 wurde eine Tunnelbaumethode entwickelt und formuliert, die Rabcewicz 1963 als "Neue Österreichische Tunnelbauweise" – abgekürzt NÖT – benannt hat, da die entscheidenden Anteile ihrer Entwicklung auf die Arbeiten österreichischer Ingenieure zurückzuführen sind.

"Eine komplexe Zusammenstellung in Form von 22 Grundsätzen zur Beschreibung dieses Tunnelbaukonzeptes in allgemeiner gültiger Form erfolgte 1978 von Müller. Demnach lässt sich das Wesen der NÖT folgendermaßen fassen :

1. Das den Tunnel umgebende Gebirge ist als wesentlich tragender Bauteil in die Gesamtkonstruktion einzubeziehen.
2. Während der Herstellung der jeweiligen Hohlraumabschnitte muss die ursprüngliche Gebirgsfestigkeit so weit als möglich erhalten bleiben
3. Entfestigende Auflockerungsvorgänge – insbesondere durch Entlastungsdeformation – müssen vermieden werden
4. Die Gebirgsdeformationen müssen so gesteuert werden, dass in der Umgebung des künstlichen Hohlraumes Formänderungswiderstände geweckt werden, welche einen Tragring um den Hohlraum mobilisieren, der als Schutzzonen ein weiteres Hereinwandern des Gebirges in den Querschnitt verhindert
5. Zu diesem Zweck sind die Ausbruchsflächen rechtzeitig zu sichern. Die Sicherungselemente haben im wesentlichen die Aufgabe, das Gebirge in einem tragfähigen Zustand zu halten
6. Der Einbauzeitpunkt der Sicherungsmaßnahmen richtet sich also nach der Zeit, die das Gebirge zu einer Deformation benötigt. Diese muss ausgenutzt und so gewählt werden, dass der Ausbauwiderstand entfestigenden Gebirgsdeformationen
7. zuvorkommt, aber die Ausbildung einer Schutzzone gefördert wird.
8. Dazu muss der spezifische Zeitfaktor des jeweiligen Gebirges (bzw. des Systems Sicherung und Gebirge) richtig eingeschätzt werden
9. Der Einschätzung dieses Zeitfaktors dienen Vorversuche im anstehenden Gebirge und Verschiebungs-, und Deformationsmessungen in der Tunnelröhre während der Bauausführung. Die Standzeit, die Deformationsgeschwindigkeit und die Gebirgsklassifizierung vermitteln eine Vorstellung dieser wichtigen Einflussgröße
10. Die Ausbruchssicherung soll flächig, kraftschlüssig und tempierbar wirken, wozu sich Spritzbeton eignet
11. Die Sicherung soll dünnschalig und biegeweich sein, um die Aufnahme von Biegemomenten zu minimieren.
12. Nötig werdende Verstärkungen des Sicherungsausbaues werden nicht als Verdickung, sondern in Form von z.B. Bewehrungen, Tunnelbögen oder Anker ausgeführt
13. Sicherungsmittel und – Zeiten werden aufgrund von Verschiebungsmessungen in der Tunnelumgebung festgestellt
14. Der Tunnel wird statisch als dickwandiges Rohr, bestehend aus Gebirgstragring und – Sicherung, betrachtet
15. Weil ein Rohr statisch nur als solches wirkt, wenn es geschlossen ist, kommt dem Ringschluss (sofern das Sohlgebirge einen erfordert) eine besondere Bedeutung zu
16. Das Gebirgsverhalten wird wesentlich durch die Ringschlusszeit bestimmt
17. Um mehrfache Spannungsumlagerungen zu verhindern, ist ein Vortrieb im Vollprofil vorteilhaft anzusehen
18. Die Betriebsweise, d.h. die im Längsschnitt betrachtete Vorgangsfolge der Herstellung des Tunnels, kann für die Sicherheit des Bauwerks entscheidend sein, da sie den Zeitfaktor des Gebirges beeinflusst. Die Variierung von Angriffstiefe, Sicherungszeit, Sohlschlusszeit, Kalottenlänge und Ausbauwiderstand werden systematisch zur Steuerung des Stabilisierungsvorganges im System Gebirge plus Sicherungsausbau benutzt
19. Zur Verhinderung von gebirgszerstörenden Spannungskonzentrationen sollen ausgerundete Querschnitte angestrebt werden
20. Bei zweischaliger Ausbildung der entgültigen Tunnelauskleidung wird auch die Innenschale vorzugsweise schlank ausgebildet. Sie soll mit der Außenschale Kraftschluss, aber keinen Reibungsschluss haben
21. Das Gesamtsystem Gebirge und Sicherung soll im Wesentlichen schon durch den Sicherungsausbau stabilisiert werden. Die Innenschale dient dann der Erhöhung der Sicherheit
22. Zur Überwachung und Dimensionierung der Gesamtkonstruktion dienen die Messung von Beton, - und Kontaktspannungen zwischen der Sicherungsschale und dem Gebirge sowie die Fortsetzung der während der Tunnelauffahrung vorgenommenen Bewegungsmessungen
23. Gegen Außenwasser – und Strömungsdruck im angrenzenden Gebirge wird die Außenschale durch Entspannung (z.B. Abschlauchen) gesichert.

Bestand der Grundgedanke der traditionellen Bauweisen darin, nach Auffahrung des Tunnels den als unvermeidbar angesehenen Druck konstruktiv aufzunehmen, so steht nun im Vordergrund, Gebirgsdruck gar nicht oder nur in verträglichen Grenzen zuzulassen, um die Eigentragfähigkeit des Gebirges weitestgehend zu erhalten."[3]

2.2.1 Vorraussetzungen für die Anwendbarkeit

Grundsätzliche Vorraussetzung für die Anwendbarkeit von Vortriebsarten nach dem Prinzip der NÖT ist eine ausreichend lange Standzeit des Gebirges von der Freilegung des Hohlraumes bis zum Einbau der Sicherungsmaßnahmen. Reicht die natürliche Standzeit des Gebirges nicht aus, um diese Forderung zu erfüllen, werden in Abhängigkeit von geologischen bzw. hydrologischen Verhältnissen Zusatzmaßnahmen erforderlich.

Diese lassen sich in

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 2 : Vorraussetzungen für die Anwendbarkeit

2.2.2 Kriterien für die Anwendung

Die Kriterien für die Anwendung der NÖT ergeben sich im Wesentlichen aus folgenden Eignungsmerkmalen:

- Hervorragende Anpassungsfähigkeit an wechselnde geologische Verhältnisse
- Die Möglichkeit der Auffahrung unterschiedlichster Querschnitte, bzw. Mehrhüftiger Querschnitte
- Gute Anpassungsfähigkeit bei Querschnittswechseln
- Die Möglichkeit der Minimierung von Oberflächensetzungen durch Verringerung der wirksamen Stützweiten und/oder Erhöhung der Biegesteifigkeit des Sicherungsausbaues sowie der Kombination mit unterschiedlichen Zusatzmaßnahmen.

Aus diesen Gesichtspunkten ergeben sich nun folgende Anwendungsmöglichkeiten der "Neuen Österreichischen Tunnelbauweise", wobei hinsichtlich des Schalenaufbaues zur entgültigen Auskleidung bislang folgende Konstruktionen zur Ausführung gelangt sind:

- die zweischalige Konstruktion
- die einschalig wirkende Verbundkonstruktion
- die einschalige Konstruktion

wobei die einschalige Verbundkonstruktion, bei erfüllen aller statischen und konstruktiven Anforderungen, welche im Allgemeinen der

- Nachweiß des Mittragens der Spritzbetonaußenschale und
- Nachweiß der Wasserdichtigkeit der Innenschale

sind, die wirtschaftlichste Lösung darstellt.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 3 : Kriterien für die Anwendung

Wie schon erwähnt, wird bei der einschaligen Ausführungsvariante angestrebt, durch den Einbau einer dünneren Innenschale und den dadurch verminderten Bodenaushub Kosten und Zeit zu sparen.

"Es wird angenommen, dass die äußere Spritzbetonsicherung nicht vollständig verrottet, sondern dass sie im Endzustand anteilige Lasten übernehmen kann. Die inneren Betonlagen müssen dann nur noch die Restlasten übernehmen und können entsprechend wirtschaftlicher dimensioniert werden.

Wichtigste Vorraussetzung Voraussetzung hierfür ist jedoch, dass zwischen der gebirgsseitigen und der tunnelseitigen Lage der Betonauskleidung ein guter Haftverbund besteht, damit zwischen den beiden Lagen eine Schubübertragung und somit eine Verbundwirkung bei Biegebeanspruchung möglich ist.

Unter der genauen Definition einer einschaligen Auskleidung soll daher eine Konstruktion aus mehreren Spritzbetonlagen verstanden werden, die entsprechend den zeitlichen Erfordernissen des Bauablaufes eingebaut werden und unbedingt eine Schubkraftübertragung zulassen."[4]

Mit einem Nachweiß für den statischen Verbund zwischen Außen und Innenschale und dem damit verbundenen Mitwirken der Außenschale widmeten sich bereits einige Diplomarbeiten und ist daher nicht Gegenstand dieser Arbeit.

Ebenso entfällt die Dimensionierung der Außen, - bzw. Innenschale da es sich beim für diese Arbeit zugrundeliegenden Tunnel um einen bereits aufgefahrenen, standfesten handelt und die Mächtigkeiten der Außenschale [25 cm] und der Innenschale [17 cm] aus versuchstechnischen Gründen bereits festgelegt sind.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 4 : Detail Schalendicken

1-Außenschale

2-Innenschale 14-Ausgleichsschicht

2.3 Statik

Ist nicht Gegenstand dieser Arbeit. (Siehe oben)

2.4 Tunnelabdichtung

2.4.1 Wasserschutz allgemein

Der Schutz unterirdischer Bauwerke vor Feuchtigkeit oder Wasserzufuhr hat große technische und wirtschaftliche Bedeutung, da er maßgeblich zum Bestand und zur Funktionsfähigkeit dieser Bauten beiträgt. Beim Schutz der Konstruktion ist neben dem Wasserandrang auch die Aggressivität des Wassers zu berücksichtigen, da Beton und Stahl – dies sind die gebräuchlichsten Werkstoffe für Bauwerke unter Tage – von aggressiven Bestandteilen des Wassers angegriffen und beschädigt werden können. Nicht nur die Konstruktion, sondern auch die sich darin befindlichen Einrichtungen und Güter, müssen gegen äußere Einflüsse geschützt werden, wobei die Unterhaltung in Relation zum Abdichtungsaufwand gesehen werden muss.

Auf Grund der vielen Schäden und der schwierigen Sanierungsmöglichkeiten war es zwingend notwendig, verschiedene Abdichtungsmaßnahmen zu entwickeln:

- Baugrundabdichtung (Injektionen) in der Umgebung des Bauwerkes, als
- Porenabdichtung (wasserundurchlässiger Beton, Sperrbeton) im Baustoff selbst oder als
- Hauptabdichtung (außerhalb oder innerhalb des Bauwerks).

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.4.1.1 Erforderlicher Grad der Dichtigkeit

Die Höhe der Anforderungen an eine Tunnelabdichtung ist in der Regel eine Frage der Kosten. So sind sich heute Bauherren und auch Abdichtungsfirmen über das Wort " staubtrocken " im Klaren. Auswirkungen auf Kosten sind notwendig, auch wenn eine solche Forderung nur so beiläufig im Vertragstext auftaucht. Garantieansprüche und jahrelange Streitigkeiten haben das Wort " staubtrocken " zu einem Gespenst für die Abdichtungstechnik werden lassen.

Die Dichtigkeitsanforderungen haben wesentlichen Einfluss auf Bauzeit und Kosten des Bauwerkes und stehen in direkter Beziehung zur Bedeutung und den Nutzungsbedingungen der Konstruktion. Es sollen daher keine unnötigen Forderungen erhoben werden, die mit der Bauwerksfunktion nicht im Einklang stehen.

Verkehrstunnel sind vor allem in die Dichtigkeitsklassen 2 und 3 einzuordnen, wobei die Feuchtigkeitsmerkmale, die für ein unterirdisches Bauwerk zulässig sind, nach dem erforderlichen Grad der Dichtigkeit in Dichtigkeitsklassen unterschieden werden und nach folgender Tafel einzuteilen sind: [5]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.4.2 Anforderungen aus Geologie und Hydrologie

Hierfür ist eine Möglichst detaillierte und verbindliche Angabe von Grenzwerten auf Seiten des Bauherrn hinsichtlich folgender Belastungen unerlässlich: [5]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.4.3 Materialanforderungen

Die Materialanforderungen an das Abdichtungsmaterial müssen den auftretenden Konstruktionen und Umweltbelastungen genügen, und stellen sozusagen die Anforderungen an den Spritzbeton der Innenschale dar, da dieser bei der Ausführung als einschalige Tunnelbauweise ohne Dichtung die Dichtfunktion zu übernehmen hat. Im folgende werden Kriterien genannt, die allgemein an Tunnelabdichtungen gestellt werden und einzuhalten sind:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

2.4.4 Dichtigkeitsanforderung an ein in einschaliger Tunnelbauweise ohne Dichtung ausgeführtes Bauwerk

Wichtigster Zweck einer Tunnelabdichtung ist es, den Innenraum entsprechend der vorgesehenen Nutzung hinreichend trocken zu halten. Trocken bedeutet aber nicht von vornherein, dass jeglicher Wasserzufluss in den Tunnel ausgeschlossen ist. Bei Zugrundeliegen dieser Annahme müssten alle dränierten Tunnel als nicht abgedichtet eingestuft werden.

Vielmehr kommt es darauf an, freie Wasseraustritte überall dort zu verhindern, wo diese zu einer Schädigung, Nutzungseinschränkung oder einer Komforteinbuße führen könnten. Die hierbei anzulegenden Maßstäbe sind je nach Art und Ort verschieden.

Die an den Verkehrtunnel in unseren Breiten gestellten Anforderungen sind in der Regel erfüllt, wenn aus der Tunnelleibung kein Wasser als Strahl, Sickerwasser oder Tropfwasser austritt. Eine Feuchtigkeit, die nur mit Löschpapier feststellbar ist, stellt keinen Nachteil für das Bauwerk und seine Nutzung dar.

Die letztgenannte Forderung stimmt mit den für wasserundurchlässigen Beton üblichen Dichtigkeitskriterien überein, die für die einschalige Tunnelbauweise ohne Dichtung übernommen werden kann. Hier ist es selbstverständlich, dass Feuchtigkeit zugelassen ist, da eine höhere Dichtigkeitsstufe nicht erreichbar ist. Ebenso selbstverständlich ist es, dass die Dichtigkeit nur an der Leibung beurteilt wird, weil diese die innere Begrenzung des Abdichtungssystems bildet.

Diese Vereinbarung gilt jedoch nicht für Tunnelauskleidungen an deren Außenseite Kunststoffdichtungsbahnen eingebaut sind, wie es in der zweischaligen Tunnelbauweise der Fall ist. Hier wird davon ausgegangen, dass die Dichtungsbahnen das einzige Dichtelement darstellen und allein deren Dichtheit Kriterium für einen Abdichtungserfolg darstellt. Wird an Wasserzuflüssen festgestellt, dass Wasser durch die Dichtungsbahnen eingetreten sein muss, so wird dies als Mangel selbst dann empfunden, wenn die Wassermenge minimal ist und das Wasser in der Blockfuge zur Sohlentwässerung fließt. Würde man die Leibung als Bezugsfläche verwenden, so könnte die Abdichtung als den Anforderungen genügend abgenommen werden .[6]

2.4.5 Abdichtungssysteme

Die heutigen Unterscheidungen nach Außen, - Zwischen – und Innenabdichtung und einschaligen Konstruktionen lassen sich nicht mehr so leicht trennen.

Da das Aufbringen von Kunststoffabdichtungsbahnen bei den unregelmäßigen Oberflächen von Spritzbeton aus konstruktiven und bautechnologischen Gesichtspunkten nicht möglich ist, wird bei der einschaligen Konstruktion auf wasserundurchlässigen Beton zurückgegriffen. Wie bereits in der Einleitung erwähnt, kann durch zusätzliches Aufspritzen von Kunstharzabdichtungen ( ungesättigte Polyesterharze UP, Epoxydharze EP) zwischen den beiden Spritzbetonschichten und wenn nötig auch gebirgsseitig, die Dichtigkeit erhöht werden.

Man kann also von einer wasserundurchlässigen Spritzbetonschicht und zusätzlich gegebenenfalls von einer Außen, - und Zwischenabdichtung sprechen.

Sollten diese Vorkehrungen dennoch als nicht ausreichend betrachtet werden, kann als Notlösung, in einzelnen Tunnelabschnitten auf ein Injektionssystem für Fels, - und Bodenverfestigung zurückgegriffen werden.

2.5 Spritzbeton / Allgemein

Beim Auffahren von unterirdischen Hohlräumen ist nach dem Ausbruch der Spritzbeton als Erstsicherung zu einem unverzichtbaren Baustoff geworden. In Verbindung mit Ankern, Stahlbögen und Bewehrungsmatten ist Spritzbeton als integrierter Bestandteil der NÖT zu sehen. In dieser Betrachtungsweise wird auch vielerorts von der Spritzbetonbauweise gesprochen.

Spritzbeton ist kein Sonderbeton, sondern ein Beton [nach DIN 1045], der lediglich nach einem besonderen Verfahren hergestellt und eingebaut wird. [1] In der Richtlinie des Österreichischen Betonvereins wird Spritzbeton als ein Beton definiert, der durch Spritzen aufgetragen wird. Die Verdichtung erfolgt aufgrund der hohen Auftreffgeschwindigkeit. Spritzbeton wird in einer geschlossenen, überdruckfesten Schlauch, - oder Rohrleitung zur Einbaustelle gefördert und dort aufgetragen.

Die Anwendung von Spritzbeton ist sehr flexibel und kann sich leicht wechselnden Anforderungen, auch für Teilausbrüche jeder Größe, anpassen. Wegen der meist geringen Dicke haben Spritzbetonschalen zunächst eine verhältnismäßig kleine Biegesteifigkeit und können infolge hohen Kriechvermögens des jungen Betons größeren Verformungen bruchlos folgen. Spritzbeton dient vorwiegend der vorübergehenden Sicherung, zur Versiegelung, zur Randverstärkung des Gebirges, zur Glättung der Ausbruchslaibung und zur Abdichtung. Er kann aber auch für die endgültige Sicherung verwendet werden. Die Frage inwieweit Spritzbeton an der Lastaufnahme beteiligt ist, kann dadurch beantwortet werden, dass selbst bei einer Versiegelung (<5 cm Schichtdicke) die tragende Wirkung größer ist als erwartet, da die Randverstärkung gleichzeitig die Klüfte schließt und kleine Nachbrüche verhindert, wodurch das Gebirgsgewölbe aktiviert wird.

Der Spritzbeton kann mit verschiedenen Verfahren aufgebracht werden und bietet mehr Möglichkeiten zur Mechanisierung als viele andere Bauverfahren. Von der Spritzmaschine mit manueller Beschickung und Düsenführer bis zum Spritzautomaten bietet die Baumaschinenindustrie Geräte an, die es ermöglichen, Förderleistung und Personenaufwand den jeweiligen Baustellenverhältnissen anzupassen.

Für die Planung und Ausführung ergibt sich laut Richtlinie Spritzbeton (Ausgabe Oktober 1998) für den fertigen Spritzbeton folgende Einteilung:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Für Spritzbeton mit konstruktiven Aufgaben (SpB II, SpB III) ist alkalifreier Erstarrungsbeschleuniger (mit eingegrenztem pH-Wert zwischen 3 – 8) zu verwenden, welches besondere arbeitshygienische, ökologische und technologische Vorteile mit sich bringt.

Spritzbeton ist aus den vorgesehenen Betonbestandteilen Zement, Zusatzstoffe, Spritz-Bindemittel (SBM = Sammelbegriff für schnellerstarrende Bindemittel), Zuschläge, Wasser und Zusatzmittel so zusammengestellt, dass er sich entweder im Trocken, - oder im Nass-Spritzverfahren auftragen lässt. In den folgenden Kapiteln [2.5.1 / 2.5.2] sind beide Verfahren dargestellt und erläutert.

Die nähere Beschreibung der Zusammensetzung des verwendeten WU - Spritzbetons, sowie die genaue Erläuterung der verwendeten Produkte und deren Bedeutung bzw. Wirkung im Gemisch, wird im Punkt [ 3.3.1 Spritzbetonrezeptur mit Beschreibung der verwendeten Produkte] erläutert.

2.5.1 Trockenspritzverfahren

Beim Trockenspritzverfahren wird ein Trockengemisch aus Zement, Zuschlag und ggf. pulverförmiger Erstarrungsbeschleuniger vom Mischer mit Druckluft zur Spritzdüse gefördert. Dort kommt über Düsen das Anmachwasser hinzu und das Gemisch wird mit Geschwindigkeiten von 20 bis 30 m/s aufgebracht und verdichtet. Neue Entwicklungen verwenden flüssige Abbindbeschleuniger, die auch vor der Düse zugegeben werden können. Auch werden Benetzungen mit Wasser vor der Düse erfolgreich eingesetzt.

Bisher besitzt das Trockenspritzverfahren im Tunnelbau den Vorzug, da es einfacher in der Handhabung ist, die Geräte handlicher sind und die Zugabe des Erstarrungsbeschleunigers zur Erreichung hoher Frühfestigkeiten einfacher ist. Nachteilig sind der hohe Rückprall, der hohe Staubanteil und die Gesundheitsschädlichkeit einiger Erstarrungsbeschleuniger. Die Betonqualität hängt von der Qualifikation des Düsenführers wegen manueller Wasserzugabe ab.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 6 : Trockenspritzverfahren

2.5.2 Nass-Spritzverfahren

Beim Nass-Spritzverfahren wird fertiger Beton, ein Gemisch aus Zement, Zuschlägen und Anmachwasser und ggf. Zusätzen, durch Pumpen oder Druckluft zur Spritzdüse transportiert und verspritzt. Dieses Verfahren bringt eine gleichmäßige Betonqualität und ist weniger staubträchtig, ist aber nachteilig in der Handhabung und kaum anwendbar bei einer nassen Oberfläche, da eine Dosierung des Erstarrungsbeschleunigers nicht ausreichend gelöst werden kann. Im Vergleich zum Trockenspritzverfahren können nicht so problemlos größere Auftragsstärken und Förderweiten erzielt werden, was u.a. die bisher geringe Verbreitung in Europa erklärt. [2]

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Abb. 7 : Nassspritzverfahren

2.5.3 Komponenten des Spritzbetons / Allgemein

Spritzbeton besteht aus:

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Durch Zusatzstoffe (Flugasche, Hüttensand, Mikrosilica) kann eine wesentliche Verbesserung der Spritzbetoneigenschaften wie Verarbeitbarkeit, Klebrigkeit, Staubentwicklung, Rückprall, Festigkeit und Dichtheit des Spritzgefüges, sowie Verringerung der Wärmeentwicklung erreicht werden. Angefangen bei der Verarbeitung, kann man einen reibungslosen Ablauf bei der Spritzbetonförderung erreichen und es ist möglich, große Flächen in sehr kurzer Zeit zu bearbeiten.

3. Vorversuche zur Realisierung des Neuen Konzepts

3.1 Vorraussetzungen und Ziele

Vorraussetzung für diese Arbeit war die Entwicklung eines wasserdichten, schwindkompensierten Spritzbetons mit niederer Hydrationswärme und geringem Schwinden, wodurch die Mikrorissbildung verhindert werden kann. Dies wird einerseits durch die Verwendung eines Spritzbindemittels mit schwindkompensierenden Komponenten aber auch durch das Aufspritzen in dünnen Schichten mit neuer Verfahrenstechnik machbar.

Durch die Hydrationswärme entstehen Temperaturschwankungen, welche durch die Wahl eines geeigneten Zements mit geringer Temperaturentwicklung und einer für Spritzbeton geeigneten Frühfestigkeitsentwicklung, unter Kontrolle gebracht werden. Außerdem werden die Lagen der wasserdichten Innenschale in Schichten zu 5 – 7 cm aufgetragen.

Daher wurden geeignete Schwindkompensationsmittel, Zement – bzw. Bindemittelzusammensetzungen erprobt und daraus die optimale Zusammensetzung für die Herstellung der Innenschale ermittelt.

Die nähere Beschreibung der Zusammensetzung, sowie die genaue Erläuterung der verwendeten Produkte und deren Bedeutung bzw. Wirkung im Gemisch, wird im Punkt

[ 3.3.1 Spritzbetonrezeptur mit Beschreibung der verwendeten Produkte ] erläutert.

Abbildung in dieser Leseprobe nicht enthalten

Die zur Anwendung kommende Verfahrenstechnik geht aus den Punkten [ 4.3 Baustelleneinrichtung und 3.2 Verfahrenstechnik ] hervor.

3.2 Verfahrenstechnik

Der Spritzbeton kann mit verschiedenen Verfahren aufgebracht werden und bietet mehr Möglichkeiten zur Mechanisierung als viele andere Bauverfahren. Von der Spritzmaschine mit manueller Beschickung und Düsenführer bis zum Spritzautomaten bietet die Baumaschinenindustrie Geräte an, die es ermöglichen, Förderleistung und Personenaufwand den jeweiligen Baustellenverhältnissen anzupassen.

Der entscheidende Parameter zur Wahl des Spritzverfahrens in diesem Fall war der speziell entwickelte WU – Spritzbeton mit vorgegebener Rezeptur und die darauf abgestimmte Baustelleneinrichtung und Logistik. Aus der Rezeptur [ 3.3.1 Spritzbetonrezeptur mit Beschreibung der verwendeten Komponenten ] ergab sich die Aufbringung im Trockenspritzverfahren. Weitere Kriterien dafür waren die einfachere Handhabung, da die Geräte handlicher sind und die Zugabe des Erstarrungsbeschleunigers zur Erreichung hoher Frühfestigkeiten einfacher ist.

[...]