Sachstandsbericht: Sanierung von Eisenbahntunneln

Die Sanierung und Instandsetzung alter Verkehrstunnel gewinnt seit einigen Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung. Im Vergleich zu einem reinen Neubau stellt sie durch die direkte Abhängigkeit vom Eisenbahnbetrieb hohe Anforderungen an die Ingenieure. Um hier Entwicklungsimpulse und Leitideen zu geben, hat sich unter der Leitung der STUVA ein Arbeitskreis „Tunnelsanierung“ formiert und Anfang 2010 seine Arbeit aufgenommen. Der folgende Beitrag ist ein Sachstandsbericht und spiegelt die Beratungsergebnisse wider.

1 Hintergrund und Ziele des Arbeitskreises

Auslöser für den Arbeitskreis „Tunnelsanierung“ waren die Erfahrungen bei der Durchführung der ersten 2 Projekte zur Profilaufweitung alter Bahntunnel unter rollendem Bahnverkehr. Dies waren die Tunnel Mausenmühlen und Jähroder auf der Nahe-Strecke zwischen Bingen und Saarbrücken (Bild 1). Die DB AG hat hierzu ein komplett neues Bauverfahren zur Tunnelerneuerung entwickelt. Dieses bot erstmals eine Lösung, die Tunnelerneuerung im 24h-Betrieb gleichzeitig mit dem Eisenbahnbetrieb durchzuführen. Das Bauverfahren ist gemeinsam mit einer Vorrichtung zur Umsetzung des Verfahrens patentiert worden [1]. Die beiden Projekte haben gezeigt, dass die Möglichkeiten des Verfahrens noch lange nicht ausgeschöpft und an vielen Stellen noch Weiterentwicklungen möglich sind.

Die dabei gewonnenen Erfahrungen sollten als Basis weiterer Verbesserungen analysiert und näher untersucht werden, um einerseits einen hohen Mechanisierungsgrad bei den Sanierungsarbeiten zu schaffen und andererseits Planer und Industrie auf Art und Umfang des erwarteten Tunnelsanierungsbedarfs vorzubereiten. Um dies zu gewährleisten, beteiligten sich die bei den beiden genannten Projekten im Bau und in der Planung involvierten Firmen an den Beratungen und technischen Diskussionen im Arbeitskreis. Aus verschiedenen Anfragen und intensiven verfahrenstechnischen Erwägungen wurde schließlich deutlich, dass das bei beiden Projekten zum Einsatz gelangte Bauverfahren auch außerhalb Deutschlands Anwendung finden könnte. Aus diesem Grund sind neben der DB AG auch die Bahngesellschaften  aus Österreich und der Schweiz mit einem ebenfalls großen Bedarf an Tunnelsanierungen in die Arbeit des Arbeitskreises einbezogen worden. Allein in Deutschland steht nach jüngsten statistischen Erhebungen der STUVA [2] die Erneuerung bzw. Profilerweiterung von gut 20 km Eisenbahntunneln an.

In der Schweiz wurden die bei der SBB erforderlichen Tunnelsanierungen der nächsten 10 Jahre in einem Tunnelkonzept zusammengefasst. Insgesamt sind danach 104 km zur Sanierung vorgesehen. Der Umfang reicht dabei von vereinzelten Maßnahmen am Gewölbe über tiefgreifende Erneuerungen der Struktur bis zum Neubau eines Tunnels mit Optimierung der Linienführung. Bei den Privatbahnen in der Schweiz stehen ebenfalls Instandsetzungen bzw. sicherheitstechnische Nachrüstungen an. Beispiel hierfür ist der vorgesehene Neubau einer Parallelröhre zum Albulatunnel bei der Rhätischen Bahn. Der bestehende Tunnel kann dann als Fluchtstollen genutzt werden.

Nach einer Sondierung und umfangreichen Bestandsanalyse hat sich der Arbeitskreis deshalb schwerpunktmäßig mit folgenden Themen beschäftigt:

Der Definition von Rahmenbedingungen für Tunnelsanierungen bzw. Tunnelerneuerungen unterschieden nach Arbeiten über rollendem Rad, unter eingeschränktem sowie ohne Bahnbetrieb. Bei den Arbeiten ohne Bahnbetrieb wird zwischen Teil- oder Totalsperrungen unterschieden.

Tunnelerneuerungen mit Profilaufweitung sowie den Möglichkeiten für den nachträglichen Einbau eines Sohlgewölbes.

Beschreibung häufig wiederkehrender Problemstellungen bei der Sanierung alter Tunnel in Abhängigkeit von der Art des Ausbaus, wie z.B. Naturstein, Ziegelstein, freistehendes Gebirge.

Mindestanforderungen an Sanierung bei laufendem Bahnbetrieb, bezogen auf Art und Standsicherheit des umgebenden Gebirges sowie den Bauwerkszustand.

Zusammenstellen einer repräsentativen Auswahl bereits durchgeführter Tunnelerneuerungs- und Sanierungsverfahren und Aufzeigen von Lösungsansätzen für zukünftige Projektumsetzungen.

Zusammentragen von technischen und betrieblichen Rahmenbedingungen in den Ländern Deutschland, Österreich und der Schweiz (D-A-CH), um standardisierte Verfahren in den Ländern zu ermöglichen.

Erstellung einer Übersicht der zu beachtenden Regelungen in den 3 involvierten Ländern.

Ausblick auf die zu erwartenden technischen Entwicklungen bei der Tunnelsanierung und -erneuerung in den nächsten Jahren.

Zusammenfassen der Ergebnisse in einer Handlungshilfe für Ausschreibung und Planung.

2 Rahmenbedingungen für Tunnelsanierungen

2.1 Allgemeines

Der Überbegriff „Tunnelsanierung“ kann eine Vielzahl verschiedener Maßnahmen bedeuten. Das Spektrum der Sanierungsarbeiten beginnt bei der Verbesserung des Oberbaus durch Einbau einer Festen Fahrbahn, eines Masse-Feder-Systems oder einer Schotterbettverklebung. Am Gewölbe kann es von der bereichsweisen Sanierung der Tunnelauskleidung zur Vermeidung von Abplatzungen bis zu Profilaufweitungen in einzelnen Bereichen des Lichtraumprofils durch Mauerwerksabtrag oder Sohlabsenkung reichen. Hierbei kann zusätzlich ein neues Sohlgewölbe mit oder ohne Fester Fahrbahn eingezogen werden. Weiterhin kann die Tunnelsanierung aus einer Neuverfugung des Mauerwerks oder aus Mauwerksaustausch, dem Einbau von Betonplomben, dem Auftrag von Spritzbeton sowie der Ankerung des alten Gewölbes bestehen. Zur Stabilisierung des Tunnels kann der Einbau von Spritzbetonrippen oder die Injizierung der Hinterpackung zwischen Gewölbemauerwerk und dem umgebenden Fels erforderlich werden.

Die Baumethoden und Bauverfahren bei der Sanierung, Erneuerung oder Aufweitung von alten Tunneln sind sehr unterschiedlich. Entscheidend für die Wahl eines geeigneten Bauverfahrens sind neben den technischen Anforderungen besonders die Eingriffe in den Eisenbahnbetrieb durch erforderliche Streckensperrungen während der Bauausführung. In vielen Fällen ist eine Sperrung der Bahnstrecke, auch wenn es nur für eine kurze Zeit ist, nicht oder nur in geringem Umfang möglich. Ob Arbeiten unter Bahnbetrieb stattfinden können, wird maßgeblich durch das verfügbare Tunnelprofil bestimmt.

2.2 Rahmenbedingungen in Deutschland

In Deutschland muss die DB AG aufgrund der Vorgaben der Eisenbahn-Bau und Betriebsordnung (EBO) bei Neubauten und umfassenden Erneuerungen den Gleisabstand von bisher teilweise nur 3,5 auf 4,0 m vergrößern. Mit der Verbreiterung des Gleisabstandes ergeben sich teils umfangreiche Baumaßnahmen, die unter Umständen durch notwendige Sohlerneuerungen zusätzlich erschwert werden. Bei der Sanierung des Jähroder und des Mausenmühlen Tunnels kam daher erstmalig die sogenannte Tunnel-im-Tunnel (TiT) Methode zum Einsatz [3].

Bei der Erneuerung von Tunnelbauwerken mit einer Länge von über 1000 m muss bei diesen Vollsanierungen oder Erneuerungen aufgrund der Vorgaben der geltenden Sicherheitsrichtlinien der neue Tunnel als Zwei-Röhrenkonzept hergestellt werden. Das bedeutet den Bau einer neuen eingleisigen Röhre in Parallellage und Erneuerung der bestehenden alten zweigleisigen Röhre als zukünftig ebenfalls eingleisige Röhre. Diese beiden Tunnel werden dann alle 500 m mit Querstollen als Fluchtweg verbunden.

2.3 Rahmenbedingungen in Österreich

Auch in Österreich sind zahlreiche neue Tunnel im Bau oder in der Planung. Dazu gehören ca. 350 km Fernbahntunnel einschließlich des Brenner Basistunnels mit einer Gesamtauffahrlänge von allein ca. 110 km. Substanzverbessernde Sanierungsmaßnahmen wie im Arlbergtunnel (Bild 2) oder im Tauerntunnel erfolgen auch vor dem Hintergrund einer sicherheitstechnischen Aufrüstung. Die Maßnahmen zur Erhöhung der „Tunnelsicherheit“ sind vor rund 10 Jahren – durch die Brandereignisse im Montblanc-Straßentunnel (März 1999), im Tauern-Autobahntunnel (Mai 1999) und im Eurotunnel unter dem Ärmelkanal (November 1996) – ausgelöst worden.

Ein weiterer Impulsgeber für die Umgestaltung und Teil-Sanierung alter Tunnel sind die österreichischen Arbeitnehmerschutzbestimmungen.

2.4 Rahmenbedingungen in der Schweiz

In der Schweiz werden aufgrund von Entwässerungsschäden und quellenden Gebirgsformationen oftmals Sohlerneuerungen vorgenommen, in vielen Fällen auch in Verbindung mit einer Sohlabsenkung, um den Querschnitt für zukünftigen Huckepackverkehr anzupassen. Bei zweigleisigen Tunneln ist neben der aufwendigen Widerlagerunterfangung des Tunnelgewölbes auch der Einbau einer Schotterhalterung zur Absicherung des Betriebsgleises notwendig, wenn der Tunnel in Betrieb bleiben soll.


3 Technische Verfahren und Methoden zur Sanierung und Erneuerung von Tunnelgewölben

3.1 Gewölbearbeiten

In den letzten Jahren sind Maschinensysteme entwickelt worden, die mehrere Arbeitsschritte miteinander kombinieren. So gab es Kombinationen für Sicherung und Ausbruch bei Gewölbeaufweitungen oder für Aushub und Schutterung bei Sohlarbeiten. Bei den verschiedenen Lösungen spielt neben dem Faktor Wirtschaftlichkeit auch die notwendige Flexibilität während der Tunnelbauarbeiten eine entscheidende Rolle, um auf unvorhergesehene Störungen im Bauablauf zu reagieren.

In Tabelle 1 sind die wesentlichen Maßnahmen bei Gewölbearbeiten in Abhängigkeit von den Betriebsbedingungen dargestellt. Dabei wird zwischen bereits in der Praxis durchgeführten Verfahren (grün) und zukünftig möglichen Einsatzgebieten (blau) unterschieden. Für die Maßnahmen mit den farblich nicht hinterlegten Feldern gibt es derzeit nur ein geringes Optimierungspotential.

3.2 Gewölbesicherung

Die klassische Sicherungsmethode, die sowohl als temporäre oder auch als langfristige Sicherung im Fels zur Anwendung gelangt, umfasst den Einsatz von Ankern und Spritzbeton, unter Umständen unterstützt durch Bewehrungsmatten, Ausbaubögen oder Rippen. Oftmals wird auch eine Systemankerung eingebracht.

Im Lockergestein oder in Bereichen mit stark zerklüftetem, verwittertem Fels zählen konventionelle, vorauseilende Sicherungsmaßnahmen wie Injektions- und Rohrschirme, Vorpfändungen, Spieße, Vereisungen oder Ortsbrustversiegelungen zum Stand der Technik.

Bei der Tunnelaufweitung kann mittels Stützplatten das Risiko von vorlaufenden Verbrüchen im alten, bestehenden Gewölbe verhindert werden (Bild 3). Auf vorauseilende Sägeschnitte in Verbindung mit einer Systemankerung zur Gewölbesicherung kann hierdurch in vielen Fällen verzichtet werden.

3.3 Gewölbesanierung und lokale Aufweitung

Bei Arbeiten zur Gewölbesanierung kommen in der Regel Bauzüge zum Einsatz. Einragungen des Mauerwerks in das Lichtraumprofil werden mit Fräsen abgeschrämt (Bild 4). Der Einsatz von Bauzügen, bei der im Wesentlichen konventionelle Baumaschinentechnik montiert auf Bahnwagen genutzt wird, gilt als weitestgehend ausgereift.

Komplette Maschinensysteme mit Schutzeinhausungen, die das Gewölbe mit einem Hochdruckwasserstrahl abtragen, neue Innenschalen zur Ertüchtigung aufspritzen oder lokal das Profil auffräsen, sind möglich und würden einen zeitweise eingleisigen Bahnbetrieb während der auszuführenden Arbeiten ermöglichen.

Im Hinblick auf die Einhaltung der Brandschutzbestimmungen in Straßentunneln hat die Herrenknecht AG bereits ein System entwickelt, mit dem die Tunnelschale saniert werden kann (Bild 5). Das Maschinenkonzept ist in 3 wesentliche Einheiten untergliedert.

Die alte Gewölbeschale wird mit einem Wasserstrahl, der bis zu bis 1400 bar Druck hat, gereinigt und teilweise abgetragen. Nach dem Einbringen der Bewehrung erfolgt der Auftrag einer Spritzbeton- und Brandschutzschicht als neue Tunnelinnenschale. Alle Maschinenkomponenten sind selbstfahrend, rationell aufgebaut und können für Straßen- und Bahntunnel mit verschiedenen Tunneldurchmessern verwendet werden.

3.4 Gewölbeabtrag in alten Tunneln mit gemauertem Ausbau

In zweigleisigen Tunneln sind Gewölbearbeiten und -ausbrüche im Ulmenbereich je nach Gewölbedicke durch den Einsatz von Bauzügen in jeweils einem gesperrten Gleis möglich. Mit Schwierigkeiten verbunden sind Arbeiten im Scheitelbereich aufgrund unzureichender Gewölbestabilität oder auf elektrifizierten Strecken durch den Fahrdraht. Bei Standsicherheitsproblemen des Tunnelgewölbes und bei beengten Platzverhältnissen gibt es derzeit kein uneingeschränkt einsetzbares System, das eine Aufweitung einschließlich Felsabtrag ohne Betriebsunterbrechung ermöglicht.

Die wesentlichen Vorteile einer Tunnelsanierung, bei der eines der beiden Gleise gesperrt ist, bestehen darin, dass kein Gleisumbau durchgeführt werden muss. Das jeweils gesperrte Betriebsgleis kann für die Logistik der Bauzüge genutzt werden. Im Gegensatz dazu ergeben sich Probleme bei der Gewölbesicherung durch den Einbau einer Trennwand zwischen den Gleisen und die dadurch bedingten massiven Platzprobleme. Die notwendigen Gleiswechsel schränken einen kontinuierlichen Vortrieb erheblich ein.

Durch die Anordnung eines teleskopierbaren, radial anpassbaren Fräsarmes auf einem straßentauglichen oder gleisgebundenen Maschinengestell ist die wechselseitige Aufweitung eines Eisenbahn- bzw. Straßentunnels möglich. Eine solche Maschine kam in den Jahren 1990/91 beim Mauerwerksabtrag im Hasenberg- und im Pragtunnel bei Stuttgart zum Einsatz (Bild 6).

Zum Lösen von Mauerwerk mit höheren Festigkeiten wurden im Arlbergtunnel in den Jahren von 1982 bis 1990 zwei Imlochbohrhämmer verwendet. Beide waren mit einer 200 mm Stiftbohrkrone bestückt und wurden so angesetzt, dass sich die Bohrlöcher seitlich berührten. Heute kommen für den Gewölbeabtrag bei der Aufweitung eines Tunnels Anbaufräsen oder Mehrblattsägen mit anschließendem Einsatz von Hydraulikmeißeln für den Ausbruch zum Einsatz. Zukünftig denkbar ist der Einsatz von Fräsen oder der Hinterschneidtechnik auf mobilen Arbeitsplattformen zum Lösen oder Profilieren in sehr hartem Fels.

3.5 Tunnelaufweitung mit einem Tunnelvortriebsportal (Tunnel-im-Tunnel Methode)

Erstmalig kam die TiT Methode mit einem Tunnelvortriebsportal bei der Aufweitung des Mausenmühlen und des Jähroder Tunnels auf der nicht elektrifizierten Nahe-Bahnstrecke von Bingen nach Saarbrücken zum Einsatz. Weitere Einsätze mit optimierten Tunnelvortriebsportalen für die Aufweitung kamen ebenfalls auf der Nahe-Bahnstrecke beim Frauenberger und Kupferheck Tunnel [4] sowie auf der Lahn-Bahnstrecke beim Langenauer und Hollricher Tunnels zum Einsatz (Bild 7).

Während der Ausbruchs- und Aufweitungsarbeiten konnte mit Hilfe von Stützplatten einem voreilenden Verbruch in der alten Gewölbeausmauerung vorgebeugt werden. Eine zusätzliche Ankerung zur Gewölbesicherung konnte dadurch entfallen.

Der Ausbruch des Gewölbes und das Ausräumen der Hinterpackung erfolgten mit Hydraulikhämmern, die seitlich an der Maschine angebracht waren. Ebenfalls seitlich angeordnete verfahrbare Bohrarme ermöglichten das Bohren von Sprenglöchern, um den Fels zu lösen. Nach dem Felsausbruch erfolgte von verschiedenen Arbeitsbühnen auf der Maschine die Primärsicherung des Gebirges mit Ankern, Bewehrung und Spritzbeton. Im Nachgang wurde ein ebenfalls profilfreier Gewölbeschalwagen zum Einbau der Ortbetoninnenschale verwendet (Bild 8). Der Einbau eines Sohlgewölbes war bei den genannten Tunnelerneuerungen nicht erforderlich.


4 Zusammenfassung

In diesem Beitrag kann nur ein kleiner Teil der umfänglichen Arbeit des Arbeitskreises vorgestellt werden. Aus diesem Grund wird auf das zur STUVA Tagung’11 veröffentlichte Sonderheft von „tunnel“ verwiesen. Die Arbeit des Arbeitskreises gibt erstmalig einen Überblick zum Stand der Tunnelsanierungen und Erneuerungen in den Ländern Deutschland, Österreich und der Schweiz. Sie soll allen im Planungs- und Bauprozess Beteiligten neben den technischen Themen auch ein Verständnis für die bahnspezifischen Randbedingungen vermitteln. Daneben werden anhand einer Vielzahl von Projektbeispielen die Perspektiven für weitere technische Entwicklungen aufgezeigt. Der Bedarf hierfür ist gegeben und wird in den nächsten Jahren weiter steigen.


Literatur / References
[1] Patentschrift 10 2007 014 104; Verfahren zum Aufweiten eines Tunnel und Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens, Erfinder für die DB ProjektBau GmbH: Matthias Breidenstein
[2] Haack, A.: Tunnelbau in Deutschland: Statistik (2009/20010), Analyse und Ausblick; Tunnel 29 (2010) 8, pp. 14-24
[3] Breidenstein, M.: Neues Tunnelbauverfahren zur Streckenmodernisierung unter laufendem Betrieb; Tunnel 26 (2007) 2, pp. 20-30
[4] Simon, S.: Erneuerung bestehender Eisenbahntunnel bei der Deutschen Bahn mit der Tunnel-im-Tunnel-Methode, Felsbau (2011), pp. 133-138
Mitglieder im Arbeitskreis „Tunnelsanierung“ sind:
STUVA (D), Deutsche Bahn AG (D), ÖBB-Infrastruktur AG (A), SBB Infrastruktur (CH), Furrer + Frey AG, Bern (CH), gbm, Limburg (D), GTA, Hamminkeln (D), Herrenknecht AG, Schwanau (D), IUB Ingenieur Unternehmung AG, Bern (CH), kpconsult, Hohenthann (D)
Members of the “Tunnel Redevelopment” Working Group:
STUVA (D), Deutsche Bahn AG (D), ÖBB-Infrastruktur AG (A), SBB Infrastruktur (CH), Furrer + Frey AG, Berne (CH), gbm, Limburg (D), GTA, Hamminkeln (D), Herrenknecht AG, Schwanau (D), IUB Ingenieur Unternehmung AG, Berne (CH), kpconsult, Hohenthann (D)
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