I.
Flughafentunnel - Hohlraumbau in vorbelasteten Tonsteinen des Lias a

Martin Wittke, Patricia Wittke-Gattermann, Meinolf Tegelkamp, Robert Berghorn, Axel Hillebrenner

Zur Anbindung des Flughafens Stuttgart an die Neubaustrecke Stuttgart - Ulm wird der 2,2 km lange Flughafentunnel mit der Station NBS in Spritzbetonbauweise gebaut. Dabei werden u. a. die Autobahn A8, zwei Hallen der Messe Stuttgart, das Kongresszentrum ICS, der Flughafenentlastungstunnel sowie zwei Hotels und drei Parkhäuser unterfahren. Die beiden Zugänge zur Station werden über Schachtbauwerke realisiert. Im Bereich des Zentralen Zugangs werden außerdem in sehr geringem Abstand zum zentralen runden Zugangsschacht zwei große Technikgebäude als Schachtbauwerke hergestellt. Die Tunnel und Schächte liegen in den gesteinsfesten Schichten (Fels) des unteren Schwarzen Jura (Lias a). In den Tonsteinen dieser Formation sind horizontale Primärspannungen vorhanden, die größer sind, als es sich nach der üblichen Betrachtungsweise aus dem Gewicht der heutigen Überlagerung und der Berücksichtigung des Seitendruckbeiwertes der Tonsteine ergibt.

Diese und die Schichtung und Klüftung sind für die Standsicherheit und die Verformungsprognose wesentlich. Die Nachweise und Prognosen werden nach der AJRM-Methode mithilfe von räumlichen FE-Berechnungen ausgeführt. Besondere Herausforderungen an die Berechnungen und die darauf basierende Ausführungsplanung stellt der Bereich der Zentralen Zugangsanlage dar. Die geometrischen Verhältnisse und die vorliegenden geotechnischen Randbedingungen mit den zusätzlichen Horizontalspannungen in den Tonsteinen erfordern einen besonderen Bauablauf, um unzulässig große Verschiebungen im Umfeld der Zugangsanlage zu vermeiden und um die Standsicherheit in jeder Bauphase zu gewährleisten.

Mit Stand Mai 2021 wurden bereits große Abschnitte der bergmännischen Tunnelröhren der westlichen Zulaufstrecke zur Station erfolgreich aufgefahren. Die angetroffenen geotechnischen Verhältnisse und die gemessenen vortriebsbedingten Verformungen bestätigen in vollem Umfang die Prognosen und die Ansätze zu den charakteristischen Kennwerten und Primärspannungszuständen. Auch die Arbeiten im Bereich der Station laufen planmäßig und ohne Überraschungen. Die Baumaßnahme wird durch ein umfangreiches Monitoring mit Messungen über- und untertage sowie an benachbarten Gebäuden, Anlagen und Verkehrswegen begleitet. Ein wesentliches Instrument stellt dabei die Aufbereitung und Veranschaulichung der sehr umfangreichen Bau- und Messdaten mithilfe des von WBI entwickelten BIM-Systems (WBIM) dar.

Airport tunnel - Cavity construction in pre-loaded claystone of Lias a

In order to connect the airport Stuttgart to the new highspeed railway line from Stuttgart to Ulm, the 2.2 km long airport tunnel including the underground station are being constructed by means of the CTM-method. The tunnels undercross the highway A8, the fair and congress center of Stuttgart as well as several hotels and parking garages. The two access points to the underground station will be realized by deep shafts. Adjacent to the central access shaft in addition two technical buildings are being constructed inside two additional shafts. The tunnels and shafts are mostly located in rocks of the Black Jurrassic. The claystones of this formation contain increased horizontal in-situ stresses, which are considerably larger than resulting from the weight of the overburden.

The increased in-situ stresses as well as bedding and jointing of the rock are decisive for the stability analyses and the prediction of the displacements. The corresponding analyses are carried out following the AJRM method by means of 3D-FE-analyses. Special considerations have to be made for the very complex central access to the station and the adjacent technical buildings. The geometrical constraints and the rock mechanical conditions require a tailor-made sequence of construction in order to limit the displacements and achieve stability in each stage of construction.

Already, by the end of May 2021 larger parts of the CTM-tunnels had been excavated successfully. The geotechnical conditions and the results of monitoring are in good agreement with the predictions for characteristic parameters and horizontal in-situ stresses. Also the works at the underground station proceed well without surprises. Construction is accompanied by a vast monitoring program, consisting of displacement and stress monitoring underground, above ground and at adjacent structures. An important element of this system is the adequate representation and evaluation of the results, which is being carried out by the BIM-system WBIM developed by WBI.

1 Einleitung

Im Rahmen des Infrastrukturprojekts Stuttgart 21 wird zur Anbindung des Flughafens Stuttgart an die Neubaustrecke (NBS) Stuttgart - Ulm im Planfeststellungsabschnitt (PFA) 1.3a der Flughafentunnel mit der Station NBS) hergestellt (Bild 1). Die in Bild 1 ebenfalls dargestellte Flughafenkurve (PFA 1.3b) wird noch nicht erstellt.

Die beiden Gleise der NBS werden nördlich der Bundesautobahn (BAB) A8 aus der dort parallel zur Autobahn verlaufenden freien Bahnstrecke ausgefädelt und unterqueren dann in zwei eingleisigen bergmännischen Tunnelröhren zunächst die BAB und danach den Bereich der Messe Stuttgart. Im mittleren Abschnitt der ca. 2,2 km langen Tunnelstrecke wird die etwas über 400 m lange Station NBS ebenfalls in bergmännischer Bauweise mit zwei nebeneinanderliegenden Bahnsteigröhren aufgefahren. Die Zugänge zur Station aus dem Bereich Messe/Flughafen werden über Schachtbauwerke realisiert. Nach Osten hin schließen sich an die Station wieder zwei eingleisige bergmännische Tunnelröhren an. Für die östliche Unterquerung der Autobahn werden die Tunnelquerschnitte in zwei Bauphasen in offener Bauweise ausgeführt. Dazu wird die BAB A8 temporär nach Norden verschwenkt und anschließend in ihre alte Lage zurückverlegt.

Bild 1. Übersicht Flughafenanbindung im PFA 1.3 [1]

Die in bergmännischer Bauweise aufzufahrenden Tunnelröhren der westlichen und der östlichen Zulaufstrecken sowie die Bahnsteigröhren der Station verlaufen in den gesteinsfesten Schichten des Lias a, der den unteren Teil des Schwarzen Juras bildet. Es handelt sich hier um Ton-, Schluff- und Kalk-/Sandsteine, die im oberen Abschnitt in Form einer Wechsellagerung anstehen. Darunter folgt bis zum Übergang zu den unterlagernden Keuperschichten (Rät und Knollenmergel) eine Zone, die fast ausschließlich aus Tonsteinen besteht. Infolge der geologischen Vorbelastung sind in den Tonsteinen des Lias a deutlich erhöhte horizontale Primärspannungen wirksam, die bei der Planung und beim Bau der untertägigen Hohlräume von Bedeutung sind.

Im Weiteren wird vornehmlich auf die besonderen Fragestellungen und Herausforderungen bei der Planung und der Bauausführung eingegangen, die sich beim Hohlraumbau für den Flughafentunnel und die Station in den vorbelasteten Tonsteinen des Lias a ergeben. Dabei werden die umfangreichen Erfahrungen genutzt, die bei im Raum Stuttgart in den entsprechenden Schichten des Schwarzen Juras erfolgreich realisierten Projekten gesammelt wurden.

2 Bauvorhaben

Der innerhalb des PFA 1.3a liegende Flughafentunnel ist Bestandteil der Vergabeeinheit Rohbau Flughafenanbindung Los 1, mit deren Ausführung die Arbeitsgemeinschaft (Arge) Neubaustrecke - Flughafentunnel (Züblin/Bögl/Strabag) 2019 von der DB Projekt Stuttgart-Ulm GmbH (DB PSU) beauftragt wurde. Die Bauausführung wurde Anfang 2020 aufgenommen. Mit den bergmännischen Tunnelvortriebsarbeiten der westlichen Zulaufröhren konnte bereits im Juni 2020 begonnen werden. Die WBI GmbH ist bei dem Projekt als Gutachter und Sachverständiger für Baugrund und Tunnelbau für die DB PSU tätig und begleitet die Ausführung auch als Fachbauüberwachung vor Ort. Die Ausführungsplanung für die Zulaufstrecken und das Entrauchungsbauwerk Mitte sowie die Schal- und Bewehrungsplanung der Innenschalen wird von der Zentrale Technik der Firma Züblin erstellt. Die WBI GmbH bearbeitet im Auftrag der Arge Teile der Ausführungsplanung, die die Stationsröhren mit den Verbindungsbauwerken und das zentrale Zugangsbauwerk untertage betreffen. Die Ausführungsplanung für Ausbruch und Sicherung des Zugangs Ost wurde von der DB PSU als vorgezogene Ausführungsplanung zur Verfügung gestellt und während der Ausführung von der Arge und von WBI optimiert.

Bild 2. Lageplan Flughafentunnel mit Station NBS

In Bild 2 ist der Flughafentunnel mit der Station NBS im Lageplan dargestellt. Die aus den nördlich der Autobahn A8 im Freien verlaufenden Teilen der NBS Stuttgart - Ulm ausgefädelten Gleise verlaufen sowohl im Westen als auch im Osten zunächst in Trogbauwerken, bis sie nach Erreichen ausreichender Tieflage jeweils in die Tunnelabschnitte in offener Bauweise überführt werden können. Der Verlauf der Gradiente ist dem überhöhten Längsschnitt entlang des südlichen Gleises von Stuttgart Richtung Ulm in Bild 3 zu entnehmen.

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