Neues Dichtprofilkonzept für den Tübbingausbau
im Albvorlandtunnel
Im Rahmen des gesamteuropäischen Schnellbahn-Netzausbaus entsteht im Südosten der Metropolregion Stuttgart derzeit die knapp 60 km lange ICE Neubaustrecke zwischen Wendlingen und Ulm. Auf zusammengenommen 30,4 km Länge wird gut die Hälfte dieser Strecke unterirdisch durch zehn Tunnelbauwerke verlaufen. Bereits seit einigen Jahren befinden sich hier beispielsweise der 8,8 km lange Boßlertunnel im Verlauf des Albaufstiegs, sowie der anschließende, fast 4,9 km lange Steinbühltunnel im Bau.
Als noch fehlender Lückenschluss zwischen Stuttgart und der Schwäbischen Alb wurde nun als letzte Tunnelbaumaßnahme noch ein weiteres Großprojekt gestartet – der etwa 8,3 km lange Albvorlandtunnel bei Kirchheim unter Teck. Dieser ebenfalls im maschinellen Schildvortrieb aufzufahrende Tunnel wird in seinem Verlauf eine Hochdruckgasleitung, eine NATO-Treibstoffleitung, sowie auf einem Abschnitt von etwa 1,3 km auch die BAB 8 Stuttgart–München unterqueren. Bei Überdeckungen von maximal 65 m bis gerade einmal 9,50 m im Minimum und anstehenden Wassersäulen von bis zu 45 m ist auch bei diesem Bauwerk höchste Sicherheit geboten.
Höchste Sicherheit bei der Tübbingabdichtung
Dieses erhöhte Sicherheitsdenken spiegelte sich im Rahmen der Projektausschreibung auch in der technischen Leistungsbeschreibung für die Tübbingabdichtung wieder. Der Bauherr, die Deutsche Bahn Netz AG, hatte im Vorwege den planerischen Bemessungswasserdruck von 4,0 bar mit einem Sicherheitsaufschlag versehen und auf 5,0 bar erhöht, wonach sich entsprechend der Ril 853/ZTV-Ing. für den zu erbringenden Eignungsnachweis für die Tübbingabdichtung ein Prüfdruck von 10 bar ergab. Dieser musste unter Berücksichtigung des planerischen Anfangsfugenspaltes mit einer zusätzlichen Fugendehnung von 6 mm sowie streng nach den Vorgaben des Regelwerkes TL/TP DP (Technische Lieferbedingungen und Technische Prüfvorschriften für Dichtungsprofile), das bedeutet bei Versatzstufen von 0 bis 20 mm, nachgewiesen werden. Die für den Bau des Tunnels beauftragte Firma Implenia Construction GmbH setzte hinsichtlich der von der DB Netz AG gemachten Vorgaben für den Dichtigkeitsprüfnachweis sogar auf weitere Sicherheiten, indem sie vom Hersteller der Tübbingdichtrahmen zusätzliche Prüfungen für einen simulierten „Worst Case“ mit 8 mm Fugendehnung bei 20 mm Versatz einforderte.
Neuentwicklung der Dichtprofilgeometrie für den Albvorlandtunnel
Für die zu verwendende Dichtprofilgeometrie wurde von der DB Netz AG eine Mindestkontaktbreite von 38 mm vorgegeben, was einem, bereits zuvor in diversen Bahntunnelprojekten eingesetzten, „klassischen“ Dichtband für eine Nutgrundbreite von 44 mm sehr nahe kam.
Auf der Grundlage von Prüfergebnissen mit unterschiedlichen 44 mm Dichtbändern, welche bereits im Zusammengang mit zuvor ausgeführten Bahntunnelprojekten vorlagen, musste davon ausgegangen werden, dass man sich bereits mit den von der DB Netz AG vorgegebenen Prüfparametern, das heißt, bei einer Fugendehnung von lediglich 6 mm, in einem kritischen Grenzbereich bewegen würde.
Dies veranlasste die Firma CTS Cordes tubes & seals GmbH & Co. KG dazu, explizit für die Prüfanforderungen des Albvorlandtunnels in die Entwicklung einer neuen, geeigneten Dichtprofilgeometrie einzusteigen (Bild 1). Die Firma Cordes aus dem westfälischen Münsterland entwickelt und produziert seit mehr als 50 Jahren elastomere Dichtsysteme für Rohrleitungen und Schächte aus Beton und ist seit etwa 15 Jahren auch als Hersteller von Spezialdichtungen für den Einsatz im Rohrvortrieb sowie auch für Anfahrschachtkonstruktionen bekannt. Seit 2016 entwickelt und produziert CTS Cordes tubes & seals als ein Mitglied der Cordes Gruppe auch Dichtsysteme für die Abdichtung von Tübbingröhren. Für das Projekt „Albvorlandtunnel“ sind auch spezielle Start-Dichtungen von CTS Cordes mit einem Einzelgewicht von jeweils etwa 750 kg im Einsatz, die die Einfahrt der Tunnelbohrmaschinen aus dem Startschacht heraus sicherstellen.
Neben einer deutlichen Verbesserung der Dichtleistung über alle Versatzstufen hinweg, musste bei der Profilneuentwicklung für die Tübbingdichtung gleichzeitig dem von Auftraggeberseite geäußerten Wunsch nach „moderaten“ Rückstellkräften Beachtung geschenkt werden. In diesem Zusammenhang hatte sich die Firma Implenia Construction GmbH bei der Ausarbeitung des Tübbingdesigns bereits im Vorwege Gedanken gemacht und ein besonderes Nutdesign für die Aufnahme der Tübbingdichtung vorgesehen. Eine hieraus resultierende Begrenzung des minimal möglichen Nutgrundabstands auf 26 mm zur Reduzierung des Kompressionsgrades des Dichtprofils, sowie eine für die Dichtleistung förderliche Aufkantung nahe der Dichtnut, wurden seitens CTS Cordes als vorteilhaft angesehen. Die Ausarbeitung der neuen Profilgeometrie sowie alle hiermit in Zusammenhang stehenden Laborprüfungen wurden somit explizit auf diese Auslegungsparameter zum Dichtungsnut- und Segmentfugendesign abgestimmt (Bild 2).
Nach intensiver Forschungs- und Entwicklungsarbeit sowie nach größtenteils bei der MPA in Hannover durchgeführten Produktprüfungen, welche sich über einen Zeitraum von mehreren Monaten erstreckten, ging eine völlig neuartige Profilgeometrie hervor.
Die Vorteile dieses neu entwickelten Geometriekonzepts stellen sich im Wesentlichen in Form einer deutlich erhöhten Dichtleistung dar, welche über alle Fugenversatzmaße hinweg keinerlei prägnanten und geometrisch bedingten Schwankungen aufweist. Somit konnten die Mindestdichtigkeitsanforderungen „Fugendehnung 6 mm“ gemäß Projektspezifikation über alle Versatzstufen hinweg mit deutlichen zusätzlichen Reserven nachgewiesen werden.
Das hieraus resultierende Gesamtkonzept aus Nutdesign- und Profiloptimierung ermöglichte die zuvor beschriebene Verbesserung der Dichtleistung, ohne eine nennenswerte Erhöhung der maximalen Rückstellkräfte bei kleinstem Fugenspalt. Sogar in den zusätzlich durchgeführten „Worst Case“-Prüfungen mit einer Fugendehnung von 8 mm (d. h. bei einem Nutgrundabstand von 34 mm) und einem Versatz von 20 mm konnte ein Prüfdruck von 10 bar nachgewiesen werden.
Die bei der MPA in Hannover ausgeführten, umfangreichen Dichtigkeitsprüfungen wurden im Anschluss durch zusätzliche Produktprüfungen ergänzt. Somit wurden bei der MPA in Hannover ebenfalls die nach der TL/TP DP geforderten Prüfnachweise für das Kraft-Weg-Verhalten am Dichtprofil sowie auch für das Langzeit-Relaxationsverhalten im simulierten Einbauversuch geführt (Bild 3).
Außerdem führte CTS Cordes einen Simulationsversuch zum Nachweis der Rückstellkraftentwicklung im kritischen T-Stoß aus (Bild 4). Dieser Nachweis wurde mit dem von CTS Cordes speziell ausgeführten Dichtrahmeneckendesign mit reduzierten Eindüslängen zur Verringerung der Rückstellkräfte ausgeführt.
Dasdiesem Geometrieaufbau zu Grunde liegende Konzept konnte mittlerweile auch auf kleinere Profilabmessungen, wie z. B. die Dichtungen CTS 36/18 und CTS 33/16 für die klassischen Nutgrundbreiten von 36 mm und 33 mm übertragen werden. In dieser neuen Profilgeneration sieht CTS Cordes einen Technologiefortschritt, insbesondere für Projekte mit besonders hohen Dichtigkeitsanforderungen.
Die in einem außergewöhnlich großen Umfang durchgeführten Leistungsprüfnachweise für diverse Funktionseigenschaften der Tübbingdichtung, welche zu einem großen Teil bei der unabhängigen Materialprüfanstalt für das Bauwesen in Hannover sowie ausschließlich nach den Vorgaben der Ril 853/ZTV-Ing. durchgeführt wurden, bildeten eine erste Grundlage für die Zulassung des neuen Dichtprofilkonzepts CTS 44/20 „AVT“ für den Albvorlandtunnel. Des Weiteren wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Auftraggeber ein expliziter Prüfplan für fertigungsbegleitenden Qualitäts- und Regelprüfungen in der Dichtrahmenfertigung der CTS Cordes erarbeitet
Produktion von knapp 55 000 Dichtrahmen bis Ende 2018
Unter diesen Voraussetzungen erhielt das neue Dichtprofil „CTS 44/20 Albvorlandtunnel“ die Freigabe durch den Auftraggeber Deutsche Bahn Netz AG und die Lieferungen wurden im Juni 2017 gestartet (Bild 5).
In der Tübbingfeldfabrik der Implenia Construction GmbH in Kirchheim unter Teck läuft die Serienfertigung seit Juli 2017, damit rechtzeitig zum Andrehtermin der TBM im Oktober 2017 ein ausreichenden Vorrat an vorproduzierten Tübbingen zur Verfügung stand (Bild 6). Mit der bis Dezember 2018 geplanten Belieferung von 54 740 passgenauen Dichtrahmen will CTS Cordes zur Realisierung dieses anspruchsvollen Tunnelprojekts beitragen.
