I.
Tunnel nach Bad Cannstatt des Großprojekts Stuttgart-Ulm - Senkungen und Setzungen im Stadtgebiet von Stuttgart, Prognosen und Messergebnisse

Wadim Strangfeld, Patricia Wittke-Gattermann, Claus Erichsen

Mit den bergmännisch vorgetriebenen Tunneln nach Bad Cannstatt im PFA 1.5, Los 3 wurden u.a. das etwa 100 Jahre alte Gäubahn-Viadukt und das Überwerfungsbauwerk unterfahren. Der Abstand zwischen Tunnelfirste und Bauwerksfundamenten betrug örtlich nur 2 m. Zur Begrenzung der Senkungen wurden kurze Abschlaglängen gewählt, die Sohle des Querschnitts in kurzen Abständen zur temporären Ortsbrust nachgezogen, die Ortsbrust gesichert und Rohrschirme zur vorauseilenden Sicherung angeordnet. Darüber hinaus wurden örtlich Hebungsinjektionen ausgeführt.

Für die Unterfahrung der Gebäude Presselstraße 10 und 12 waren ursprünglich Hebungsinjektionen zum Ausgleich vortriebsbedingter Senkungen vorgesehen. Durch Messungen und Beobachtungen in den angrenzenden Tunnelabschnitten und durch 3D-Finite-Elemente-Berechnungen (3D-FE) konnte gezeigt werden, dass eine Unterfahrung der Gebäude ohne Hebungsinjektionen möglich ist. Auch hier wurde die Ausbruch- und Sicherungsfolge so festgelegt, dass die Senkungen minimiert werden konnten.

In diesem Beitrag werden die Bauwerke vorgestellt. Es werden die Ergebnisse der Senkungsprognosen dargestellt sowie die auf dieser Basis geplanten bautechnischen und baubetrieblichen Maßnahmen erläutert. Darüber hinaus wird über die Ergebnisse der Messungen und Beobachtungen während des Vortriebs berichtet und ein Vergleich mit den Ergebnissen der Prognosen gezogen.

Tunnel to Bad Cannstatt of the large-scale railway project Stuttgart-Ulm - subsidence and settlements in the urban area of Stuttgart, prediction and measurement results

The tunnels to Bad Cannstatt in PFA 1.5, lot 3, driven by the conventional tunneling method (CTM), underpass the approximately 100-year-old Gäu-bahn-Viaduct and -Bridge. The distance between the tunnel's roof and the foundations of the building structures was only 2 m in some sections. In order to limit the subsidence to a minimum short pullout lengths and a small distance of the temporary face and the invert were selected. Furthermore a support of the temporary face by means of anchors and shotcrete and a pipe umbrella were installed. In addition, compensation grouting was carried out locally.

For underpassing the buildings Presselstraße 10 and 12, originally compensation grouting was planned as well. By means of monitoring and observation in the adjacent tunnel sections and by means of 3D-FE-analyses it was shown that undercrossing of these buildings without compensation grouting is feasible, if additional design measures to minimize the subsidence were taken.

In the article the building structures are presented. The results of the prediction of subsidence and the design measures selected on this basis are presented. Additionally the measurement results and observations during construction are reported and the predicted and measured displacements are compared.

1 Einleitung

Von den rd. 3,5 km langen, bergmännisch vorgetriebenen Tunneln nach Bad Cannstatt wurden inzwischen rd. 3,3 km im unausgelaugten und ausgelaugten Gipskeuper aufgefahren (Bild 1). Dabei wurden mit den im ausgelaugten Gipskeuper liegenden Tunnelabschnitten u.a. Gleisanlagen der Deutschen Bahn (DB), das etwa 100 Jahre alte Gäubahn-Viadukt und das Überwerfungsbauwerk unterfahren (Bild 1 und 2). Der Abstand zwischen Tunnelfirste und Bauwerksfundamenten betrug örtlich nur 2 m. Zur Begrenzung der Senkungen wurden kurze Abschlaglängen gewählt, die Sohle des Querschnitts in kurzen Abständen zur temporären Ortsbrust nachgezogen, die Ortsbrust gesichert und Rohrschirme zur vorauseilenden Sicherung angeordnet. Darüber hinaus wurden örtlich Hebungsinjektionen ausgeführt.

Bild 1. Geologischer Längsschnitt, Achse 176

Bild 2. Unterfahrung Bahnanlagen und Gebäude, Tunnel nach Bad Cannstatt

Außerdem wurden die Gebäude der Presselstraße 10 und 12 unterfahren. Auch hier waren ursprünglich Hebungsinjektionen zum Ausgleich vortriebsbedingter Senkungen vorgesehen. Durch Messungen und Beobachtungen in den angrenzenden Tunnelabschnitten und durch 3D-FE-Berechnungen konnte gezeigt werden, dass eine Unterfahrung der Gebäude ohne Hebungsinjektionen möglich ist. Auch hier wurden die Ausbruch- und Sicherungsmaßnahmen so festgelegt, dass die Senkungen minimiert werden konnten.

In diesem Beitrag wird zunächst der ausgelaugte Gipskeuper beschrieben. Außerdem werden die Bauwerke vorgestellt. Es werden die Ergebnisse der Senkungsprognosen dargestellt sowie die auf dieser Basis geplanten bautechnischen und baubetrieblichen Maßnahmen erläutert. Darüber hinaus wird über die Ergebnisse der Messungen und Beobachtungen während des Vortriebs berichtet und ein Vergleich mit den Ergebnissen der Prognosen gezogen.

2 Ausgelaugter Gipskeuper

Der Gipskeuper ist ein sulfatführendes Tongestein. Der Sulfatanteil in den einzelnen Schichtgliedern dieser Formation ist sehr unterschiedlich. Im Ausgangsgestein steht das Sulfat in Form von Anhydrit (CaSO4) an. Dieser wird in geologischen Zeiträumen infolge Wasserzutritts aufgrund von Diffusion in Gips (CaSO4 · 2H2O) umgewandelt. Im Grundwasser geht der Gips in Lösung über und wird in die Vorfluter, wie den Nesenbach und den Neckar, abtransportiert. Übrig bleibt ein sogenanntes sulfatfreies Residualgestein, der ausgelaugte Gipskeuper [1].

Bild 3 zeigt ein Foto des ausgelaugten Gipskeupers. Neben gesteinsfesten Schluffsteinlagen (Klasse I), die tlw. als Folge der Auslaugung und des damit verbundenen Volumenverlusts darunterliegender Bereiche einen gestörten Schichtverlauf aufweisen, finden sich Gipslinsen (Klasse I), mürbe und sehr mürbe Schluffsteine (Klassen II und III) und Auslaugungsschluffe (Klasse IV). Ein Gefügemodell des ausgelaugten Gipskeupers ist in Bild 4 dargestellt.

Erfahrungen haben gezeigt, dass die mechanischen Eigenschaften der Gesteine der Gipskeuperformation von deren Wassergehalt abhängen. Im Rahmen der Vorerkundungen für das Projekt Stuttgart-Ulm wurden deshalb an den Kernen der Erkundungsbohrungen in einem Abstand von 1 m Proben zur Bestimmung des Wassergehalts entnommen. Für Proben aus dem ausgelaugten Gipskeuper, die der Klasse I zugeordnet werden können, ergaben sich mittlere Wassergehalte von etwa 5 % (Bild 5). Proben der Klassen II und III ergaben mittlere Werte von 8,5 bzw. rd. 14 %. Die größten Werte wurden für die der Klasse IV zuzuordnenden Auslaugungsschluffe mit etwa 20 % ermittelt.

Bild 3. Ausgelaugter Gipskeuper

Bild 4. Gefügemodell ausgelaugter Gipskeuper

Die in Bild 4 dargestellten geotechnischen Kennwerte wurden im Wesentlichen durch Rückrechnung von Messungen an ausgeführten Bauwerken gewonnen [2]. So wurde der Verformungsmodul von E = 150 MN/m2 durch Rückrechnung beim Bau des S-Bahn-Tunnels im Bereich der Schwabstraße ermittelt. Der Wert konnte durch einen Vergleich von Rechen- mit Messergebnissen auch in zahlreichen anderen im ausgelaugten Gipskeuper liegenden Tunneln im Stuttgarter Raum bestätigt werden. Lediglich in Abschnitten, in denen hohe Anteile der Klasse IV angetroffen wurden, ist der E-Modul mit E = 80 MN/m2 geringer.

Bild 5. Ausgelaugter Gipskeuper, PFA 1.5, Wassergehalte

Auch die in Bild 4 angegebenen Scherparameter konnten durch Rückrechnung von Messergebnissen bestätigt werden.

3 Unterfahrung der Presselstraße 10

3.1 Bauwerk

Die tief liegende Röhre (Achse 136) unterfährt die Gebäude der Presselstraße 10 und 12, während die hoch liegende Röhre (Achse 176) unmittelbar neben diesen Gebäuden verläuft und ebenfalls die Senkungen beeinflusst (vgl. Bild 2) (Bild 6 und 7). Wegen der sogenannten P-Option, die als Vorwegmaßnahme für eine spätere Anbindung der

Bild 6. Gebäude Presselstraße 10 und 12

Bild 7. Querschnitt, Presselstraße 10

Tunnel nach Bad Cannstatt an die bestehende Strecke nach Feuerbach geplant wurde, ist der Tunnelquerschnitt im Bereich der Unterfahrung der Presselstraße 10 größer und vor allem höher als in den anderen Abschnitten mit kreisförmigen Tunnelquerschnitten (vgl. Bild 1) (Bild 7).

Für die Unterfahrung der Gebäude waren ursprünglich Hebungsinjektionen zum Ausgleich vortriebsbedingter Senkungen vorgesehen. Durch 3D-FE-Berechnungen mit dem Programmsystem Fest03 konnte von WBI allerdings gezeigt werden, dass eine Unterfahrung der Gebäude ohne Hebungsinjektionen möglich ist, insbesondere dann, wenn für die Schichten des ausgelaugten Gipskeupers die charakteristischen Kennwerte angenommen werden können. Der Nachweis der charakteristischen Kennwerte erfolgte mithilfe der an vortriebsbegleitend genommenen Proben bestimmten Wassergehalte und über einen Vergleich der...