Metro Doha – Tunnel-bau in besonderen Dimensionen

Mit über 82 km unterirdischer Tunnelstrecke und 25 unterirdischen Stationen in Phase 1 ist die Metro Doha das größte derzeit in Planung befindliche Infrastrukturprojekt der Welt. Die Zahlen würden alleine schon für sich sprechen. Doch aufgrund der Vergabe der FIFA WM 2022 nach Qatar und der geplanten Bewerbung für die Olympiade 2020 ist diese Phase 1 innerhalb der kommenden 7 Jahre zu realisieren, was nicht nur das gesamte Projekt, sondern auch den Tunnelbau in besondere Dimensionen hebt. Denn in Qatar gibt es bisher keinerlei Erfahrungen im Eisenbahn- oder Metrobau und daher auch wenig Expertise im Tunnelbau. Somit sind weder belastbare Referenzen, noch Vorschriften oder Regelungen vorhanden, auf die aufgesetzt werden könnte: Hier ist Pioniergeist gefordert, mehr als es die Tunnelbauer sowieso schon an den Tag zu legen pflegen. Zudem sind tunnelbautechnische Kennwerte für den Baugrund nicht bekannt, bis auf die Tatsache, dass das Grundwasser chemisch äußerst aggressiv ist. Aufgrund der Projektgröße ergeben sich logistische Probleme und weitreichende Schnittstellenproblematiken mit anderen parallel laufenden Großprojekten in der Stadt Doha.

1 Projektvorstellung

Doha, die Hauptstadt Qatars, ist eine stark besiedelte, lebendige und schnell wachsende Stadt. Zur FIFA Weltmeisterschaft 2022 soll hier eines der modernsten Metro- und Bahnsysteme der Welt entstehen. Das Investitionsvolumen für Phase 1 liegt bei ca. 10 Mrd. Euro. Ziel ist der Bau eines Metrosystems sowie eines Fernbahnnetzes, das Qatar mit Saudi-Arabien und Bahrain verbinden soll. Die DB International ist derzeit verantwortlich für die Planung und Ausschreibung der Baumaßnahmen zur Errichtung des Metro- und Bahnsystems.

Das gesamte Streckennetz (Bild 1) ist in einzelne Linien geglie­dert:

Die Red Line (Sea Line) zieht sich von Norden nach Süden durch das Emirat und bildet somit die Schlüssellinie des qatarischen Transportsystems. Sie verbindet auch den besiedelten Küstenstreifen mit der Hauptstadt. Die Golden Line (Historic Line) verläuft hauptsächlich in Ost-West Richtung und verbindet die Stadtteile AlRayyan und Industrial Area North mit dem Flughafen. Die Green Line (Education Line) verläuft von Süden nach Nord-Westen und verbindet das große Universitätszentrum Education City mit dem Zentrum von Doha. Die vierte und kürzeste Linie ist die Blue Line (City Line). Sie verläuft entlang des C-Rings in einem Kreis von Norden nach Süden innerhalb Dohas und schafft somit innerhalb der Stadt Kreuzungs- und Umsteigebeziehungen zu den anderen Linien.

Die Herstellung des gesam­ten Netzwerks wird analog der Mei­lensteine der Großereignisse in insgesamt 4 Phasen gegliedert.

Phase 1: Bau der zentralen Bahnhöfe und entsprechenden unterirdischen Streckenlose der Metro, die unbedingt zur Durchführung der FIFA WM 2022 fertig gestellt und in Betrieb genommen werden müssen

Phase 2: Ausbau der restlichen Anschlüsse der Metrolinien innerhalb der Stadt Doha

Phase 3: Anschluss der Außenäste aufgeständert und ebenerdig, Richtung Süden und Norden

Phase 4: Bau des Hochgeschwindigkeits- und Güterverkehrsnetzwerks mit Anschluss an Saudi-Arabien und Bahrain

Ziel ist es, alle 4 Phasen bis zum Jahre 2050 gebaut und in Betrieb genommen zu haben.

2 Geologie

Qatar ist eine gestreckte Halbinsel im Osten der arabischen Halbinsel und zeigt nordwärts in den arabischen Golf. Mit ihrer Lage am Rand der arabischen Halbinsel ist Qatar geologisch gesehen ein Teil des arabischen Golfbeckens (Bild 2).

Um genaue Aufschlüsse über den Boden im Projektgebiet zu erhalten, wurden geologische Erkundungsbohrungen sowie Labortests durchgeführt. Entlang der geplanten Linienführung wurden 123 Bohrungen zwischen 25 und 70 m Tiefe mit einem Innendurchmesser von 63 bis 84 mm vorgenommen (Bild 3). Messungen der Wassersäulen in den Bohrlöchern finden nach 24 und 48 Stunden statt. Neben den Bohrungen werden Pumpversuche durchgeführt, um die Durchlässigkeit und Konnektivität der Grundwasserspiegel zu erkunden, was für die Machbarkeit des Großteils aller Stationsbauten unerlässlich ist.

Da es in Qatar bisher keine bergmännisch hergestellten Tunnel gibt, mussten über ein ausführliches Studium bereits vorhandener geologischer Unterlagen die tunnelbau- und spezialtiefbauspezifischen Werte der Geologie ermittelt werden. Der Boden im Projektbereich besteht hauptsächlich aus Füllmaterial, dem Simsima Limestone (Kalkstein), der Midra Shale und der sogenannten Rus Formation.

Der Simsima Limestone formt den größten Teil der Oberfläche. Die Schichtenfolge und Lithologie sind nicht genau bekannt. Er besteht aus einem feinen Medium, körnig, beige bis blass braun und gelbbraun. Außerdem ist der Simsima Limestone schlecht geschichtet, enthält kristallinen Kalkstein und Dolomitgestein mit einer Vielzahl von Hohlräumen und unregelmäßigen Klüften, die oft mit weichem Schluffstein/Siltstein gefüllt sind. Gelegentlich sind dünne Lagen von blass grünem oder rotbraunem Lehm vorhanden. Die Midra Shale ist ein gelb brauner und grün grauer Schiefer in dem oft Fossilien gefunden werden. Über dem Projektbereich ändert sich der Midra Shale in Konsistenz, Farbe, Lehm und Kalkzusammensetzung. Die Rus Formation setzt sich aus weißlichem oder gelblichem Dolomitkalkstein zusammen und enthält zeitweise zwischengelagerte dünne Schichten aus grünlichem oder bräunlichem Lehm und Engstellen aus weißlichem oder gräulichem fossilhaltigem Dolomitkalkstein. Die jüngsten bisher gefundenen Gesteine der Rus Formation haben sich in Al Khor, im Norden von Qatar, entwickelt. Eine Besonderheit der Rus Formation ist das Auftreten von verschiedenen flächenhaften Schichten aus Eindampfungsgestein, hauptsächlich bestehend aus Gips und Anhydriten. Die Gipsschichten können bis zu 4 m dick sein und befinden sich vor allem im südlichen Teil des Landes in einer Tiefe von 20 bis 50 m. Die unteren Gipsschichten haben sich nachträglich aufwendig durch zirkulierendes Grundwasser gelöst. Wegen der überlagernden Schicht brechen sie an einigen Stellen und bringen die Hauptoberfläche ebenfalls zum Einbruch. Dies geschieht hauptsächlich im Süden und in der geographischen Mitte Qatars.

Im gesamten Land liegt ein Karstsystem mit Dolinen (Karsttrichtern) vor. Ein Karstsystem wird hauptsächlich mit gipshaltiger Lösung assoziiert, aber es wird auch von den vorhandenen Karbonat-Felsen beeinflusst. Das Karbonatgestein bietet günstige Bedingungen für den Tunnelvortrieb. An anderen Stellen wiederum herrschen unter Gips und Anhydriten extreme Bedingungen für den Tunnelvortrieb. Der Boden im gesamten Projektgebiet ist sehr heterogen, anisotrop und gebrochen karstig (Bild 4).

Aktivitäten der Seismizität und Tektonik mit größeren Effekten wurden im Osten des arabischen Golfes aufgezeichnet (z.B. Iran). In Qatar selbst gibt es nur sehr wenige dieser Aktivitäten - weshalb es in die Seismische Zone Null eingestuft wird, was bedeutet, dass ein sehr geringes bis gar kein Erdbebenrisiko vorhanden ist. Auch mit Vulkanausbrüchen und Erdrutschen ist hier nicht zu rechnen.

3 Hydrologie

Das Land ist in erster Linie niedrig und eben. Innerhalb Qatars befinden sich keine Wasserwege oder Seen. Die geringen Niederschläge, starke Sonneneinstrahlung und die extremen Windbedingungen sorgen für große Trockenheit. Dennoch ist ein extrem hoher, natürlicher Grundwasserspiegel vorhanden.

Die Grundwasser führende Schicht liegt zwischen 5 und 50 m Tiefe, der Grundwasserspiegel ist meist nach 5 bis 15 m anzutreffen. Nach Westen liegt die Grundwasser führende Schicht tiefer. Sie ist ähnlich wie der Simsima Limestone bedeckt mit einer dünnen Schicht von anstehendem Schiefer und einer dünnen Schicht Anschuttmasse. Durchschnittlich beträgt die Schichtdicke des Simsima Limestones 15 m mit darunter liegender Midra Shale, die hauptsächlich als Abdichtungsschicht dient. Die Schichten sind vollständig gesättigt und das Grundwasser wird durch den saisonalen Regen und die permanente Quelle, den arabischen Golf, angereichert.

Aufgrund von neuen Untergrundsystemen kann sich der Grundwasserlevel in Zukunft ändern. Teilweise kam es zu Anstiegen von bis zu 8 m innerhalb von 3 Jahren (Bild 5).

Im Grundwasser sind sehr hohe Werte von Sulfaten (Spitzenwerte bis zu 4.000 mg/l) und Chloriden (Spitzenwerte bis zu 54.000 mg/l) enthalten. Mit einem ph-Wert von 6,1 bis 8,5 (Dammam) und 6,5 bis 8,5 (Rus Limestone) greift das Grundwasser Beton und Stahl korrosiv an (Tabelle 1). Die Grundwassertemperatur beträgt im Mittel 28°C.

Dies alles führt dazu, dass für dieses aggressive Grundwasser keine europäische Norm greift und somit zusätzliche Untersuchungen im Bereich der Betontechnologie angestellt werden müssen (Bild 6).

4 Tunnelplanung

Mit diesen äußeren Voraussetzungen wurde mit der Planung der unterirdischen Bauwerke begonnen. Die Planungstiefe für das Tender Design (Ausschreibungsplanung) liegt zwischen Vorplanung und Entwurfsplanung nach HOAI. In mehreren Koordinationsrunden wurden die für die Ermittlung des Tunnelquerschnitts maßgebenden Randbedingungen festgelegt (Tabelle 2).

Auf Grundlage dieser Festlegungen liegt der Tunnelquerschnitt bei einem Innendurchmesser von ca. 6 m (Bild 7).

Zudem wurden weitere Untersuchungen für die Tunnelplanung angestellt. So haben etwa die ein- oder zweischalige Bauweise, das aggressive Grundwasser, die Lebensdauer von 120 Jahren, die Vortriebsgeschwindigkeit, die Anschlüsse der Querschläge an den Haupttunnel und vor allem die Frage der Wartung und Instandhaltung massiven Einfluss auf die Auswahl der Bauweise. Aufgrund der Vielzahl unterschiedlicher Einflüsse und der Philosophie der Ausschreibung wurden diese Fragen nicht endgültig entschieden, sondern den Baufirmen zur technischen Bearbeitung übertragen.

Die Frage nach der Tunnelsicherheit warf ebenso weitere Diskussionen auf. Eine Risikobetrachtung und Gegen­überstellung der zweigleisigen Röhre (wie z.B. bei der Metro Dubai angewandt) oder 2 eingleisigen Röhren (z.B. nach TSI-Richtlinie) wurden angestellt. Hierzu wurde auch ein Querschnitt einer zweigleisigen Röhre konstruiert. Die Studie umfasste Punkte wie z.B. Sicherheitskonzept, Baukosten, Termin, Betrieb & Wartung, Risikobetrachtung, etc. und wurde der Qatar Railway Company zur Entscheidung vorgelegt. Die Entscheidung des Bauherrn fiel auf ein Tunnelsystem mit 2 eingleisigen Röhren.

6 Logistik

Doha ist eine schnell wachsende Stadt. Durch die Vielzahl an anderen, parallel laufenden Planungen und Ausführung von Großprojekten stellt sich bei der Planung für die Metro ganz wichtig die Frage zu den Schnittstellen mit diesen Bauvorhaben. Außerdem gilt es, Antworten zu finden auf die Frage, wie es möglich ist, ein Metro- und Bahnsystem im Stadtgebiet zu bauen ohne das öffentliche Leben durch die enormen Baumaßnahmen zum Erliegen zu bringen? Die Lösung bietet eine gut durchdachte Baulogistik.

Allerdings haben Untersuchungen gezeigt, dass die für die Baulogistik notwendigen Flächen in der Innenstadt nicht oder nur sehr begrenzt zur Verfügung stehen. Entsprechend müssen die innerstädtischen Baustelleneinrichtungsflächen verkleinert oder einzelne Baustellenbereiche ganz ausgelagert werden.

In den Außenbereichen der Stadt wurden große, nicht genutzte Flächen lokalisiert, die als Logistikflächen für alle Baustellenbereiche der Metro dienen könnten. Diese Flächen wurden als sogenannte LPA (Logistic Providing Areas) ausgewiesen und in die Abstimmungsrunde mit allen Beteiligten gegeben. Diese Lösung würde beispielsweise eine just-in-time-Lieferung von Materialien ermöglichen. Hierfür ist jedoch die derzeitige und auch die künftige Verkehrssituation ein Hindernis. Die ASHGHAL, die Straßenbaubehörde Qatars, plant zurzeit einen deutlichen Ausbau ihres Straßennetzes in Doha, mit einem ähnlichen Investitionsvolumen wie es die Metro haben wird. Hier liegen die wesentlichen Schnittstellen, um eine Koordination zwischen den verschiedenen Bauabschnitten und Beteiligten zu erreichen. Die Abstimmungen mit Terminplänen und Bauabschnitten dauert noch an. Eine komplette Eingliederung der Baugruben für die Metro in die Straßenbauarbeiten ist daher ein ehrgeiziges Ziel.

Um ein Konzept für die Baulogistik zu erstellen, wurden zunächst mögliche Bauverfahren ausgewählt, da diese den Zeitbedarf der Baustellen beeinflussen. Die Mengen, die beim Erdaushub und Materialeinbau entstehen, wurden überschlägig berechnet und dem Gesamtlogistikkonzept zugrunde gelegt.

7 Projektzeitplan

Auf Grundlage der erwähnten vielfältigen Randbedingungen und der aktuellen Planung wurde ein Projektzeitplan in Abhängigkeit der großen Meilensteine erstellt.

Hierbei sind sowohl die typischen Abhängigkeiten von Streckenlosen bei Infrastrukturprojekten zu berücksichtigen als auch die terminlichen Zwänge, die sich aus den Großereignissen für Qatar ergeben. Optimierungen können sich einerseits aus der Reduktion der Tiefenlage einzelner Stationen ergeben - größtenteils ist diese Optimierung aufgrund der parallel laufenden anderen Projekte und damit bestimmtem Mindestabstände in der Tiefenlage jedoch beschränkt. Eine andere klassische Optimierung wäre der Einsatz zusätzlicher Tunnelbohrmaschinen (TBM). Dies wird im Fall Doha aber zum Einen durch die Tatsache behindert, dass mehr TBM auch mehr Baustelleinrichtungsflächen benötigen würden, die im Innenstadtbereich nicht vorhanden sind. Zum Anderen, dass einzelne Stationen in einem bestimmten Ausbauzustand sein müssen, damit die TBM durchgezogen werden können oder den Bereich vorher durchfahren können. Dies beeinflusst die zeitliche Abfolge des Vortriebs massiv.

Herzstück des Metro-Netzwerks ist die Station Mushaireb („Heart of Doha“), in der die Ankunft von 10 TBM geplant ist und die anschließend vom Stadtentwicklungsprojekt Dohaland überbaut wird.

8 Derzeitiger Stand und Ausblick

Die Ausschreibungsunterlagen wurden am 2. April 2012 abgeschlossen und an die präqualifizierten Bieter übergeben. Weitere Arbeitspakete wie Ausschreibung technische Ausrüstung, Betriebsplanung, Feste Fahrbahn und die oberirdischen Streckenabschnitte der Metro werden folgen.

Die DB International wird auch in der Zukunft wichtiger strategischer Partner bei diesem einzigartigen Projekt sein und die Qatar Rail weiterhin in allen technischen Belangen beraten.

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