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Tunnelbauwerke

Stichworte

• Tunnelbau
• Spritzbeton
• Sohlbeton
• Gewölbebeton

Allgemeines

Tunnelbauwerke sind Bestandteil des effizienten Verkehrswegebaus. Aufgrund der Charakteristik der durchfahrenen Gebirge, der Verfahrenstechnik in der Bauausführung und der Belastungen aus dem Betrieb bestehen an die eingesetzten Betone sehr unterschiedliche Anforderungen in Hinblick auf die Verarbeitbarkeit sowie die mechanischen Kennwerte und Dauerhaftigkeitseigenschaften. Bild 1 zeigt schematisch mögliche Expositionsklassen (nach DIN EN 206 bzw. DIN 1045-2), die für ein Tunnelbauwerk relevant werden können. Neben dem chemischen Angriff durch Gebirgswässer (XA) und der ggf. durch die Tunnelatmosphäre verstärkten Karbonatisierung (XC) benötigen die Betone im Portalbereich einen ausreichenden Frost-, bei Straßentunneln sogar Frost-Tausalzwiderstand (XF), und eine hohe Dichtigkeit gegen eindringendes Chlorid (XD).

Im Vortrieb von Tunnelröhren werden zur Ausbruchssicherung häufig Spritzbetone mit sehr kurzen Erstarrungszeiten und schneller Erhärtung eingesetzt. Im Tunnelausbau muss der Beton bei geeigneter Konsistenz ggf. über weite Strecken pumpfähig sein, ohne zu entmischen. Für einen mit dem Vortrieb abgestimmten Baufortschritt sind kurze Abbindezeiten zu erreichen. Gleichzeitig müssen die Schwindneigung und die Entwicklung von Hydratationswärme gering gehalten werden, um eine möglichst rissarme Tunnelschale in Sichtbetonqualität herzustellen, die den Zutritt von Gebirgswasser in die Tunnelröhre weitgehend verhindert. Eine hohe Stabilität bei großer mechanischer Auflast ist zudem Voraussetzung.

Stand der Technik

Der Einsatz von Flugasche als Betonzusatzstoff hat sich im Tunnelbau etabliert, da hierdurch sowohl im Frischbeton als auch im Festbeton besondere Eigenschaften erreicht werden [1]. Durch ihre rheologisch günstige, kugelige Kornform und Korngrößenverteilung verbessert sie die Verarbeitbarkeit der Betone. Dieser Effekt kommt besonders bei den mehlkornreichen pumpfähigen Betonen zur Geltung. Darüber hinaus bewirkt die puzzolanische Aktivität der Flugaschen eine deutliche Nacherhärtung der Betone, wodurch sich verbesserte mechanische Kennwerte, höhere Dichtigkeiten und verbesserte Dauerhaftigkeitseigenschaften ergeben [2].

In den unterschiedlichen Ausbaustufen des Tunnelbaus kommen verschiedene Betontypen zum Einsatz, die alle unter Verwendung von Flugasche hergestellt werden können (Tabelle 1). Dem Vortrieb unmittelbar folgend wird die Gebirgssicherung durch Spritzbetonauftrag durchgeführt. Weiterhin dient diese Schicht zum Profilausgleich im Tunnelquerschnitt, als erste Sperre gegen den Zutritt von Gebirgswässern und ggf. auch als statisch wirksame Schale. Spritzbeton zeichnet sich aus durch unmittelbares Erstarren, das über Zusatzmittel eingestellt wird, und kurze Erhärtungszeiten. Der Einsatz von Flugasche bei der Herstellung von Spritzbetonen ausreichender Frühfestigkeit ist mittlerweile Stand der Technik. Eine verbesserte Pumpbarkeit im Nassspritzverfahren sowie ein reduzierter Rückprall sind weitere Argumente für die Verwendung von Flugasche.

Der Ausbau der Tunnelsohle erfordert pumpfähige, mehlkornreiche Betone, die gleichzeitig zur Vermeidung von Zwangsspannungen aus der Hydratationswärmeentwicklung als auch aus Wirtschaftlichkeitsgründen möglichst geringe Zementgehalte aufweisen sollten [3]. Der teilweise Ersatz des Zementes durch die Flugasche führt über eine langsamere Freisetzung von Hydratationswärme zu geringeren Temperaturgradienten in den massigen Bauteilen (vgl. BVK-Merkblatt "Massenbeton" [4]). Dauerhaftigkeitseigenschaften wie der Chlorid- oder Sulfateindringwiderstand werden signifikant sowohl beim Ortbeton als auch bei vorgefertigten Konstruktionsteilen verbessert. Die Anforderungen an die mechanischen Eigenschaften werden zielsicher erreicht.

Gleiches gilt auch im Gewölbeausbau für den Innenschalenbeton, der zusätzlich eine sehr differenziert einstellbare fließ- und pumpfähige Konsistenz, eine geringe Schwindneigung sowie kurzfristig erreichbare Ausschalfestigkeiten aufweisen soll. Hierbei sind die kugelige Kornform der Flugaschen sowie ihre Wirkung als feinkörnige Füller besonders vorteilhaft.

Im Portalbereich von Straßentunneln (XF2, XF4) darf Flugasche nach dem heutigen Stand der Regelwerke eingesetzt, in Deutschland bisher aber nicht auf den Mindestzementgehalt bzw. den Wasserzementwert angerechnet werden. Positive Erfahrungen haben in Österreich dazu geführt, dass der Einsatz von Flugasche im Tunnelbau über Normen und Richtlinien empfohlen wird (z.B. [5]). Aber auch hierzulande belegen Portalbauwerke wie zum Beispiel der Engelberg-Basistunnel [6], bei denen über Zustimmungen im Einzelfall (s. Tabelle 1 (*)) Flugaschebetone eingesetzt wurden, dass die Einschränkungen bezüglich der Anrechenbarkeit bei entsprechenden Betonrezepturen keine allgemeingültige technische Begründung finden.

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