Tunnelbau in festem Gestein

Der Ausbruch beim zyklischen Vortrieb erfolgt durch Schießen (Sprengvortrieb), durch Baggern (Baggervortrieb) oder als Hybridvortrieb (Mischverfahren aus Bagger- und Sprengvortrieb); das gelöste Gestein wird anschließend mit Lademaschinen auf Fördermittel geladen und abtransportiert. Die allgemeinen Ausbrucharbeiten umfassen Bohr- und Sprengarbeiten, das Gesteinaufladen, den Abtransport des Abraums, die Durchführung von Sicherungsmaßnahmen (Stollen- oder Tunnelzimmerung) und die Auskleidung.

Vortrieb ist dabei die Bezeichnung für die Bauweise, aber auch die gewonnene Strecke, die in Meter pro Tag angegeben wird.

• Bei der traditionellen Bauweise wird ein Richtstollen als First- oder Sohlstollen ins Gebirge vorgetrieben. Anschließend erfolgt der Gesteinsausbruch abschnittsweise bis zur Erstreckung des Gesamtquerschnitts. Danach schließen sich Sicherung gegen Nachbrechen und Vollausbau als weitere Arbeitsschritte an. Die traditionelle Bauweise erfordert zur Sicherung einen großen Aufwand Holz.
• Beim modernen Vollausbau werden freigelegte Flächen durch Spritzbeton, Felsanker, Stahlbögen und andere Bauelemente gesichert. Durch Einsatz von vollautomatischen Großmaschinen kann die Auszimmerung entfallen. Diese Methode nennt man auch Neue Österreichische Tunnelbaumethode.

Tunnelbau in nicht standfestem Gestein

Bei nicht standfestem Gestein^{[ANM 1]} wird der Ausbruch teilweise noch nach traditioneller, aber modifizierter Bauweise vorgenommen. Die Ursachen für nicht standfestes Gestein sind fast ausnahmslos sogenannte Störzonen.

Kernbau

Bei der Kernbauweise oder deutschen Bauweise werden zuerst zwei seitliche Sohlstollen als Raum für die Widerlager und ein Firststollen ausgebrochen, bevor man sich durch die Firste zu den Sohlstollen vorarbeitet. Erst nach Fertigstellung der Tunnelwandung wird der Massivkern herausgebrochen.

Belgische Bauweise

Bei der Unterfangbauweise oder belgischen Bauweise beginnt man mit dem Ausbau und der Abstützung der Firste (= Kalotte). Daran schließt sich die Ausführung des Widerlagers abschnittsweise durch seitliches Einschlitzen von einem Richtstollen aus an (= Strossenbau).

Alte österreichische Bauweise

Bei der Alten österreichischen Bauweise wird ein Sohlstollen vorangetrieben, der vergrößert wird. Daran schließt sich das Aufschlitzen bis zum First an. Von dort aus erfolgt der Vollausbruch.

Vortrieb

Bei der Vortriebsbauweise oder englischen Bauweise erfolgt der Vollausbruch nacheinander, an den sich das Einziehen des Gewölbes unmittelbar anschließt.

Versatz

Bei der Versatzbauweise oder italienischen Bauweise beginnt man mit dem Ausbruch des unteren Drittels und dem sofortigen Einziehen des unteren Widerlagerteils und Sohlengewölbes.

Ringbau

Zu den modernen Bauverfahren gehört die Ringbauweise, die mit dem Ausbruch und Ausräumen der Kalotte beginnt. Daran schließt sich das Verlegen mehrteiliger Ringschwellen an, wobei der Ring von Sohl- oder Ringschwelle, Lehrbogen, Reiter und Ausbruchbogen gebildet wird. Nach dem Aufbringen von Spritzbeton kann die Strosse ausgeräumt und das Sohlgewölbe hergestellt werden.

Messerbauweise

Die Messerbauweise bedient sich die Firste sichernder, stählerner, zugespitzter Kanaldielen, die am Rand des Gewölbes als Vortriebsmesser bei gleichzeitigem Vortrieb der Tunnelbrust ins Gebirge vorgetrieben werden. Das Gewölbe wird abschnittsweise produziert.

Schildvortrieb

Bei der Schildvortriebsweise, die im Lockergestein ihre Anwendung findet, wird ein als Deckschild bezeichneter Stahlzylinder im Querschnitt des späteren Tunnelprofils mit hydraulischen Pressen vorangetrieben, die sich ihrerseits gegen das fertige Gewölbe abstützen. In seinem Schutz kann durch eine rotierende Bodenfräse im Vortriebsverfahren die Tunnelröhre ausgeräumt und durch Felsanker und Spritzbeton befestigt werden. Im nächsten Arbeitsgang wird das Gewölbe nach Einziehen der Pressen mit Beton- oder Stahltübbings ausgekleidet. Bei wasserführenden Gesteinsschichten kann der Arbeitsraum durch eine Rückwand abgeschlossen und so unter Überdruck gesetzt werden, dass kein Wasser einbricht.

Gefrierverfahren

Beim Gefrierverfahren werden in einem Ring um den künftigen Tunnel Bohrungen gestoßen, in denen ein Kälteträger zirkuliert und das umliegende Gestein gefriert. Danach kann der Tunnel vorgetrieben werden, ohne dass das umliegende Gebirge hereinbricht.

Rohrschirme

Zur Unterfahrung schwerer Bauwerke werden Rohrschirmdecken eingesetzt, wobei dicke Stahlrohre unter die Fundamente vorgetrieben und mit Stahlbeton ausgegossen werden. Vereinzelt wird wassergesättigter, schwimmender Beton vor dem Ausbruch vereist oder versteinert.

Offene Bauweise

Die offene Bauweise wird bei geringer Überdeckung verwendet. Ein typisches Einsatzgebiet sind Unterpflasterbahnen in eng bebauten Altstädten. Allerdings wird dort zunehmend auch bergmännisch gebaut, um Verkehrsbehinderungen und Belästigung der Anwohner zu vermeiden und um sich das Umlegen von Versorgungsleitungen zu ersparen.

• Bei der herkömmlichen offenen Bauweise bleibt die Baugrube während der gesamten Bauzeit offen. Die seitlichen Verbauwände werden vor oder beim Bodenaushub niedergetrieben.
• Bei der Deckelbauweise werden Bohrpfähle oder Schlitzwände aus Stahlbeton errichtet, zwischen denen die Baugrube ausgehoben wird. Sobald die Höhe erreicht ist, in der Bagger und Radlader arbeiten können, wird die Grube zur Aufrechterhaltung des darüber fließenden Straßenverkehrs abgedeckelt. Die Deckelbauweise findet beim Bau von Unterpflasterbahnen Anwendung.
• Zur Querung von Gewässern wird die Einschwimm- und Absenktechnik in Deutschland selten angewandt. Bei ihr werden an Land vorgefertigte Senkkästen (Caissonverfahren) oder Tunnelstücke eingeschwommen und im ausgespülten Flussbett versenkt. Beispiel: Warnowtunnel

Organisationsformen

Zur Erstellung von Untertagebauwerken kommen drei Organisationsformen der Bauwirtschaft in Frage: ^[1]

• Bei der Organisationsform des Einzelleistungsträgers sucht der Bauherr im Rahmen einer Ausschreibung mit einem detailliert ausgearbeiteten Leistungsverzeichnis und Vorgabe der Ausbruch- und Vortriebsklassen nach einem geeigneten Bauunternehmen. Dies ist die im Untertagebau am häufigsten genutzte Organisationsform.

• Die zweite Form stellt das Generalunternehmermodell dar, bei der die Gesamtleistung in einer funktionalen Ausschreibung mit einem Leistungsprogramm mit generellen Vorgaben u. a. zu Ausbruchklassen und Abrechnungssystemen vorgegeben wird.

• Die dritte Form besteht in der Vergabe an einen Totalunternehmer mit funktionaler Ausschreibung. Der Totalunternehmer zieht geeignete Bauunternehmen für die Bauaufgabe zusammen, ist meist nicht oder nur mit einem geringen Anteil selbst in der Bauausführung tätig. Diese Form wurde im Untertagebau bisher nur in wenigen Fällen gewählt.

Planungs- und Ausführungsphasen

Die Leistungen bei einer Projektdurchführung mit einem Einzelleistungsträger laufen in den Planungs- und Ausführungsphasen in folgender Weise mit klar abgegrenzten Aufgabenzuordnungen ab: In der Konzeptphase werden vom Bauherrn zunächst Vorstudien erstellt, die mit dem Vorentwurf genauer bearbeitet werden und in einer Konzept- und Machbarkeitsstudie als abschließender Entscheidungsgrundlage für diese Planungsphase münden. Im nächsten Schritt folgen geologische Studien und eine erste Zusammenstellung der Kosten als Kostenschätzung mit einem üblichen Genauigkeitsbereich von ± 30 bis 50 %.

Es schließt sich die Bauprojektphase an, in der weitergehende Baugrunduntersuchungen durchgeführt werden, geologische und ökologische Gutachten erstellt und eine grobe Einteilung in Ausbruchklassen vorgenommen werden.

Anschließend folgt das Genehmigungsverfahren, meist als Planfeststellungsverfahren. Im Planfeststellungsbeschluss werden die wesentlichen Genehmigungsauflagen für die weitere Planung und Ausführung festgelegt. Hierin enthalten sind insbesondere die Gewährleistung der Umweltverträglichkeit und des Schutzes der Interessen Dritter. Die Genehmigungsauflagen ergänzen die Leistungsbeschreibung der nachfolgenden Ausschreibung.

In der Bauprojektphase wird die Ausführungsplanung auf Basis der bisher arbeitende Unterlagen erstellt und verfeinert. Meist werden in dieser Phase ergänzende Baugrunduntersuchungen nötig, um offene Fragen für das Aufstellen des Leistungsverzeichnisses zu klären. Im Leistungsverzeichnis werden Vortriebsverfahren und die zugehörigen Sicherungen sowie die Einteilung des Bauwerks in Ausbruchklassen festgeschrieben. Damit gibt der Bauherr bei dieser Organisationsform des Einzelleistungsträgers weitestgehend das Bauverfahren, die Konstruktion des Bauwerks und den Bauablauf vor. Er gewährt einen gewissen Spielraum für Vorschläge von alternativen Bauabläufen oder Ausbauweisen, die von den Anbietern als Sondervorschläge im Rahmen der Angebote unterbreitet werden können.

Nach der Ausschreibung, dem damit verbundenen Preiswettbewerb und der Auftragsvergabe führt der Bauunternehmer die einzelnen Bauabschnitte aus. Sofern Sondervorschläge beauftragt wurden, kann eine Anpassung der vorliegenden Genehmigung mit einem Planänderungsverfahren erforderlich werden. Der Bauunternehmer ist für die richtige Wahl der Geräte und Abläufe verantwortlich, die sich aus den vorgegebenen Bauverfahren und der richtigen Behandlung des Baugrunds ergeben. Veränderte geologische Verhältnisse zeigt der Bauunternehmer dem Bauherrn an, der über Änderungen der Ausbruch- bzw. Sicherungsklassen entscheidet.

Vor- und Nachteile der Ausführung mit einem Einzelleistungsträger

Als Vorteil dieser Organisationsform kann der Bauherr individuell Planung und Ausführung beeinflussen, insbesondere Qualität und damit auch den Preis. Bei Planänderungen steht mit dem vereinbarten Leistungsverzeichnis eine gute Grundlage zur beidseitigen Abwicklung bereit. Dies spielt besonders eine Rolle, wenn sich aus der Geologie oder aus den Genehmigungsauflagen Unwägbarkeiten ergeben. Vorteilhaft ist bei diesem Verfahren ferner, dass mit der Ausschreibung der Preiswettbewerb zwischen den anbietenden Firmen genutzt werden kann.

Als Nachteil bei der Organisationsform des Einzelleistungsträgers besteht für den Bauherrn weiterhin das finanzielle und terminliche Risiko. Das grundlegende Risiko des Baugrundes verbleibt unabhängig von der Organisationsform beim Bauherrn, da er den Baugrund „zur Verfügung“ stellt und somit für die Beschaffenheit verantwortlich ist – Grundsatz: „Baugrund ist Bauherren-Risiko“. Im Tunnelbau ist dies besonders bedeutsam, da das umgebende Gebirge Teil des Bauwerks wird. Ergeben sich Unterschiede zwischen dem tatsächlich vorgefundenen Zustand und dem vereinbarten Leistungsverzeichnis, so gehen die daraus entstehenden Aufwendungen zu Lasten des Bauherrn.

Der Bauherr ist bei dieser Organisationsform außerdem für die Schnittstellenkoordination zu den anderen Leistungsträgern verantwortlich. Die stufenweise Bearbeitung der Planungsphase vor der Ausführung lässt keine beschleunigende Projektabwicklung zu, hieraus entsteht meist eine lange Projektdauer. Durch die Vorgabe der Tunnelausbaumethoden können besondere Kenntnisse und Methoden des Unternehmers nur begrenzt im Rahmen der genannten Sondervorschläge genutzt werden, die keine grundlegenden Änderungen zulassen. Aufgrund des reinen Preiswettbewerbs ist der Unternehmer meist daran interessiert, über Nachtragsforderungen seine oft enge Gewinnspanne zu vergrößern und die wirtschaftliche Auskömmlichkeit des Vorhabens zu verbessern.^[1]

Bei der Organisationsform des Einzelleistungsträgers ist für den Unternehmer vorteilhaft, dass er kein Risiko aus Abweichungen der Leistungsbeschreibung tragen muss und im Falle eines Einheitspreisvertrages alle ausgeführten Leistungen vergütet bekommt, auch die vorgenannten geänderten oder zusätzlichen Leistungen.