I.
Vortrieb eines Autobahntunnels unter einem Flusstal

Autoren: Dr.-Ing. Patricia Wittke-Gattermann, Dipl.-Ing. Ralf Druffel, WBI GmbH, Weinheim

Die Röhren des Tunnels Hirschhagen der BAB A44 unterfahren in der Nähe der Ortschaft Hessisch Lichtenau die Bundesstraße B7, eine eingleisige Bahnstrecke und das Tal der Losse. Der Baugrund besteht aus Buntsandstein und tertiären Tonen und Sanden. Es ist geplant, den Vortrieb im Schutz einer Grundwasserhaltung durchzuführen. Die Grundwasserabsenkung soll mithilfe einer Großbrunnenanlage durchgeführt werden. Zur Bemessung dieser Anlage wurden zwei Pumpversuche durchgeführt, die mit numerischen Berechnungen ausgewertet wurden. In dem dazu erarbeiteten großräumigen Modell werden die trennfächenbedingte Anisotropie des Buntsandsteins und der Einfluss benachbarter gering durchlässiger Störungen berücksichtigt.

Excavation of highway tunnel underneath a river valley

In Eschenstruth near Hessisch-Lichtenau, Germany, the two tubes of the tunnel Hirschhagen of the BAB A44 are driven underneath of the federal road B7, a rail track and the valley of river Losse. The tunnel is located in the Buntsandstein which consists of an alternating layer of Sandstones and Claystones and in a Tertiary formation, which consists of Clay and Sand. It is planned to lower the groundwater level by means of a number of large scale pumping wells before the tunnel is excavated. In order to achieve the necessary data for the design of the wells, two pumping tests were carried out and evaluated by means of numerical analyses. Two 40 m deep pumping wells and adjacent piezometers were constructed and installed, respectively. The numerical analyses for the evaluation of the tests were based on a large-scale model which accounts for the effects of the inhomogeneous and anisotropic permeability of the rock mass and the influence of adjacent faults.

1 Einleitung

Der 4,2 km lange Tunnel Hirschhagen der BAB A44 unterquert in Eschenstruth bei Hessisch-Lichtenau die Bundesstraße B7, eine Eisenbahnstrecke und die Losse. Die beiden Tunnelröhren liegen in diesem Bereich in einer Subrosionssenke, in der Buntsandstein und Tertiärer Ton anstehen. Es ist geplant, den Vortrieb unterhalb der Losseaue im Schutz einer Grundwasserhaltung durchzuführen [1]. Die Grundwasserabsenkung soll mithilfe einer Großbrunnenanlage durchgeführt werden. Die Losse soll abgedichtet werden (Bilder 1 und 2).

Bild 1. Lageplan Tunnel Hirschhagen, Detail

Bild 2. Längsschnitt, Detail

Zur Bemessung der Brunnenanlage wurden zwei Pumpversuche durchgeführt, die mit numerischen Berechnungen ausgewertet wurden. Darüber hinaus wurde eine rechnerische Simulation der geplanten GW-Absenkung durchgeführt, die mithilfe der im Bild 2 dargestellten Brunnengalerie vorgenommen werden soll. Die Ergebnisse der Versuche und Berechnungen dienten als Grundlage für den Entwurf der Brunnenanlage und des Vortriebskonzepts für die Tunnel in diesem Abschnitt.

2 Untergrund- und Grundwasserverhältnisse

Im Kern der Subrosionssenke stehen bindige Lockergesteine des Tertiärs an. An diesen Bereich schließen sich nach den Seiten und nach unten die Schichten des Buntsandsteins der Solling-Folge (smS) an. In Richtung Losse folgen auf die Solling-Folge die Schichten der Detfurth-Folge des Buntsandsteins. Diese Schichten werden von einer ca. 4 bis 10 m mächtigen Schicht aus Quartär überlagert. Am südlichen Rand der Tertiärrinne befindet sich eine Störung. Weiter südlich im Hang hinter dem Lossetal sind ebenfalls Störungen prognostiziert (Bild 2) [2].

Nach den Bohrprofilen der im Bereich der Losseaue abgeteuften Erkundungsbohrungen und der Bohrungen für die Grundwassermessstellen des Pumpversuchs ist der Buntsandstein insbesondere im Bereich der Störung teilweise entfestigt und enthält Zerrüttungszonen. Dieser vermutlich von der Störung beeinflusste Bereich reicht nach den Ergebnissen der Erkundungsbohrungen bis ca. 100 m südlich der Tertiärrinne.

Der Grundwasserspiegel steht nach den Ergebnissen der Messungen in verschiedenen Grundwassermessstellen bei ca. 304 mNN geringfügig unterhalb der Geländeoberfläche an. Es ist davon auszugehen, dass eine hydraulische Verbindung zwischen Quartär und Buntsandstein vorhanden ist.

Im geotechnischen Gutachten [2] ist mit kf = 9 · 10-8 bis 4 · 10-4 m/s eine sehr große Bandbreite für die Wasserduchlässigkeitsbeiwerte des Buntsandsteins angegeben. Für die Ausführungsplanung für die Brunnengalerie und für den Tunnelvortrieb war in Anbetracht der Risiken eine genauere Abschätzung der Durchlässigkeitsbeiwerte erforderlich. Aus diesem Grund wurde entschieden, Pumpversuche durchzuführen.

3 Modellvorstellungen

3.1 Anisotropie und Inhomogenität

Der mittlere Buntsandstein besteht überwiegend aus einer Wechselfolge von Sand- und Tonsteinen. Insbesondere in der Har-degsen-Folge, der Detfurth-Folge und der Volpriehausen-Folge werden durchgehende Tonsteinlagen sehr häufig angetroffen. Dagegen besteht die Solling-Folge überwiegend aus dickeren Sandsteinpaketen, in die wenige Tonsteinlagen eingelagert sind (Bild 3). Auch in den Bohrungen für die Brunnen und die Grundwassermessstellen für den Pumpversuch wurden ausgeprägte Tonsteinlagen angetroffen.

Bild 3. Ortsbrust im Buntsandstein

Da die Standsteinlagen eine deutlich größere Wasserdurchlässigkeit besitzen als die Tonsteinlagen, bedingt die Wechsellagerung eine ausgeprägte Inhomogenität und Anisotropie der Wasserdurchlässigkeit der verschiedenen Formationen des Buntsandsteins.

3.2 Grundwasserströmung im anisotropen und inhomogen Untergrund

Eine Grundwasserströmung findet im Fels überwiegend entlang von Trennflächen statt. Dagegen ist die Durchströmung der Gesteinsmatrix meist vernachlässigbar gering. Zur Veranschaulichung der Größenordnung der Durchlässigkeit von klüftigem Fels sind in Bild 4 die Durchlässigkeitsbeiwerte kT parallel zu einer Trennflächenschar mit einem Trennflächenabstand von d = 1 m sowie verschiedenen Öffnungsweiten und Rauigkeiten den isotropen Durchlässigkeitsbeiwerten von Lockergestein gegenübergestellt. Danach entspricht die Durchlässigkeit eines Felses mit Trennflächenöffnungsweiten von 2ai = 0,2 mm und Trennflächenabständen von d = 1 m der Durchlässigkeit eines Feinsandes. Für 2ai = 0,7 mm ergibt sich bereits die Durchlässigkeit eines Kieses [3] [4].

Bild 4. Durchlässigkeitsbeiwerte eines Felses mit einer Schar durchgehender offener Trennflächen [4]

Im Buntsandstein sind die Tonsteinlagen, wie bereits erwähnt, gering durchlässig. Dagegen sind die Sandsteinlagen stärker durchlässig, da in diesen ausgeprägte Trennflächen (Klüfte) ausgebildet sind. Die Sickerströmung findet daher überwiegend in den Sandsteinschichten und damit in horizontaler Richtung statt. Die vertikale Durchströmung der Wechsellagerung ist durch die gering durchlässigen Tonsteinlagen behindert (Bild 5).

Bild 5. Durchlässigkeit Baugrund, inhomogen und anisotrop

In einer Berechnung kann die genaue Abfolge der durchlässigen und wenig durchlässigen Schichten einer Wechsellagerung nur schwer berücksichtigt werden, da die Lage und Erstreckung der einzelnen Schichten in der Regel nicht genau bekannt sind.

Daher wird vereinfachend von einer äquivalenten Wasserdurchlässigkeit ausgegangen, die in horizontaler Richtung größer ist als vertikal. Dabei sind die durchlässigeren Schichten für die horizontale und die undurchlässigeren Schichten für die vertikale Durchlässigkeit der Wechsellagerung bestimmend (Bilder 6 und 7) [3] [4].

Bild 6. Geschichteter Baugrund, vertikale Durchlässigkeit [4]

Bild 7. Geschichteter Baugrund, horizontale Durchlässigkeit [4]

3.3 Zufluss zu einem Brunnen

Der Zufluss zu einem Brunnen in einer horizontalen Wechsellagerung des Buntsandsteins erfolgt entlang der horizontal durchlässigen Sandsteinschichten. Im Gegensatz zur Grundwasserabsenkung im Untergrund mit isotroper Wasserdurchlässigkeit, bei der das Wasser innerhalb des Absenktrichters nahezu vollständig dem Untergrund entzogen wird, verbleibt hier Restwasser oberhalb der wenig durchlässigen Tonschichten. Es ergeben sich einzelne Absenktrichter in den durchlässigen Schichten. Eine vollständige Absenkung wird durch die nur gering durchlässigen Schichten zumindest über größere Zeiträume verhindert (Bild 8).

Bild 8. Einfluss der Inhomogenität und Anisotropie...