Profilaufweitung des Tunnels Maroggia in neuartigem Verfahren

Der 1874 in Betrieb genommene, 570 m lange Tunnel Maroggia wurde durch eine einseitige Aufweitung auf die Anforderungen des „4m-Korridor Basel – Chiasso/Ranzo“ angepasst. Dabei wurde das bestehende Mauerwerk bis fast in die Firste abgebrochen und durch ein Parament aus Ortbeton ersetzt, während das im Bauzustand verbleibende Gewölbe über dem Betriebsgleis fast durchgängig auf einem im Voraus erstellten rückverankerten Stahlbetonbalken gestützt wurde. Die Arbeiten erfolgten unter sehr engen Platzverhältnissen, ab Bauzug mit Schutzwand, um den Bahnbetrieb auf dem benachbarten Betriebsgleis aufrecht zu erhalten. Mit dem gewählten, neuartigen Bauverfahren konnte die Bauzeit auf etwa 1,5 Jahre verkürzt werden.

1 Einleitung

Der Tunnel Maroggia der Schweizerischen Bundesbahn (SBB) befindet sich im Kanton Tessin und liegt an der Bahnlinie zwischen Bellinzona und Chiasso. Der Tunnel ist seit 1874 als zweigleisiger Eisenbahntunnel in Betrieb und gilt daher als einer der ältesten Tunnel der Schweiz.

Im 2011 wurde der Tunnel im Projekt „4m-Korridor Basel–Chiasso/Ranzo“ (4mK) eingegliedert, für das auf der Nord-Süd-Achse durch die Schweiz durchgehend eine Eckhöhe von 4,0 m für den kombinierten Bahnverkehr zu gewährleisten ist. Für die damit verbundene Instandsetzung war eine mindestens 50-jährige Nutzungsdauer gefordert.

Das vom Bundesamt für Verkehr (BAV) genehmigte und ausgeschriebene Projekt der Instandsetzung sah eine Gleisabsenkung von 24 bis 25 cm und eine Profilaufweitung auf beiden Gewölbeseiten mit neuen Mauerwerksunterfangungen, Teilersatz der Paramente in Ortbeton und Schrämungen vor. Anhand dieser Maßnahmen ließ sich das Lichtraumprofil des 4mK mit minimalem Eingriff in die bereits mehrmals sanierte Tragkonstruktion des Tunnels gewährleisten.

Die hohe Dichte und enge Abfolge der SBB-Projekte im Tessin entlang der Nord-Süd-Achse stellen hohe Anforderungen an die Baulogistik und die Arbeitsabläufe. Die Rahmentermine sind eng und fordern einen hohen Detailierungsgrad der Bauabläufe bezüglich der Termineinhaltung sowie eine Vertiefung der Arbeits- und Betriebssicherheit im Doppelspurtunnel mit eingleisigem Bahnbetrieb.

In der Ausschreibung wurde eine Unternehmervariante eingebracht, mit der die Möglichkeit bestand, eine deutlich kürzere Bauzeit zu erreichen und damit auch die Chance für die Realisierung wichtiger Nachbarprojekte (Oberbausanierungen). In der Folge wurde diese Variante realisiert, mit Gewölbeaufweitung nur auf einer Seite und ohne Sohlabsenkung. Dazu musste das Ausführungsprojekt in kürzester Zeit erstellt und die Baustelle eng begleitet werden.

2 Projektbeschrieb

2.1 Übersicht

Der Tunnel Maroggia der SBB liegt in unmittelbarer Nähe zum Lago di Lugano und wird zum See hin von der Kantonsstraße und zum Hang hin von der Autobahn A2 flankiert. Zwei Autobahntunnel überqueren den Bahntunnel in Richtung Süden, jeweils zweimal in geringer Höhe (ca. 15 m).

Die mindestens 50 cm starke Tunnelverkleidung weist ein Hufeisenprofil auf und besteht im Parament sowie in den Portalzonen aus Natursteinmauerwerk (Kieselkalk und Arkosen), während die Kalotte mit vermörtelten Vollbacksteinen gemauert ist. Die Verkleidung ist systematisch mit vermörtelten Porphyritblöcken hinterfüllt.

                      

2.2  Geologie

Der Tunnel Maroggia durchquert aus geologischer Sicht südalpine vulkanische Gesteine, welche zum sogenannten Vulkangebiet von Lugano zählen. Im Tunnel werden Porphyrite bzw. Quarzporphyre angetroffen, welche aus einer harten, feinkörnigen Matrix bestehen.

Ungefähr auf Tunnelmitte (Bild 1) wurde beim Bau des Tunnels eine offene, wasserführende Kluft im Gebirge gefasst (Quelle), aus der heute immer noch Wasserzutritte von 5–10 l/min gemessen werden. Etwa 40–50 m südlicher der Quelle durchquert der Tunnel eine etwa 45 ° nach Süden fallende Verwerfung. Diese Verwerfung besteht aus einer etwa 30 m mächtige Zone aus kakiritisiertem, jedoch tragfähigen Fels.

Im Norden befindet sich der Tunnel im Einflussbereich einer Rutschung, welche beim Bau des Autobahntunnels in den Jahren 1965/1966 in Bewegung geriet. Zur Sicherung wurde damals eine Vielzahl vorgespannter Anker im Hang verbaut (Bild 2). Ein Teil des Bahntunnels erlitt Deformationen. Im Zuge der anschließenden Rekonstruktion musste der Tunnelquerschnitt mit Sohlsprenger zum Ring geschlossen werden.

Über dem Südportal thront die im 18. Jahrhundert erbaute Kapelle Madonna della Cintura (Bild 3). Unterhalb der Kapelle war, gemäß der geologischen Prognose, stark gestörter Fels erwartet worden, der aber während der Ausführung der Ausweitung nicht angetroffen wurde. Die damals im Tagbau erstellen Portalbereiche liegen in einer mehr oder weniger locker gelagerten Aufschüttung.

2.3 Tragwerkskonzept und Bauablauf

Zur Gewährleistung des Lichtraumprofiles sah das Projekt der Instandsetzung vor, das Gewölbe auf dem bergseitigen Gleis (G 100) aufzuweiten und durch eine Betonschale zu ersetzen. Dies beinhaltete den Abbruch des bestehenden Mauerwerk bis fast in die Firste, während das verbleibende Gewölbe über dem Betriebsgleis auf einen im Voraus erstellten rückverankerten Stahlbetonbalken, dem sogenannten Ankerriegel, gestützt werden sollte (Bild 4 + 5).

Um die Gewölbestabilität zu verbessern wurde zunächst die Hinterfüllung des Mauerwerkgewölbes mit Zementsuspension injiziert. Zudem wurde das Mauerwerk beidseitig des zu erstellenden Ankerriegels mit Mörtelankern gesichert. Mir den bei allen Ankern ausgeführten Zugproben und ausgewählten Ankerversuchen konnten zuverlässige Informationen über die Profilverhältnisse hinter dem bestehenden Mauerwerk gewonnen werden.

Der rund 60 x 80 cm starke Ankerriegel wurde durchgängig in Etappen von Vor- und Nachläufern ausgebrochen, bewehrt und mit Ortbeton betoniert. Die Längsverbindung wurde durch Schraubbewehrung sichergestellt, während in den Bewehrungskörben Leerrohre aus Stahl für die spätere Ankerung platziert und einbetoniert wurden. Die Verankerung des Riegels erfolgte durch schwere Stabanker (Swiss Gewi 50 mm oder Selbstbohrinjektionsanker), welche durch die Leerrohre in den Baugrund eingebohrt und festgesetzt wurden.

Infolge der engen Platzverhältnisse (Bild 6) konnten die Anker aus Sicht der Statik nicht optimal geneigt eingebracht werden, was durch eine leichte Vorspannung der Stabanker kompensiert wurde. Der Nachweis für einen Ankerausfall konnte rechnerisch mit der Berücksichtigung der Verdübelung des Betonriegels im Baugrund durch die Ankerstäbe erbracht werden. Der Ankerriegel konnte dabei derart ausgelegt werden, dass sich der einseitige Abbruch des Tunnelgewölbes und die Ausweitung über große Strecken im Fels nicht in Etappen, sondern über die gesamte Länge ausführen ließ, was eine freiere Logistik und Beschleunigung der Arbeiten ermöglichte. Für die Ausbruchsicherung wurde systematisch geankert (Bild 7) und eine netzbewehrte Spritzbetonschale eingebaut.

Anschließend wurde das Gewölbe etappenweise in Ortbeton hergestellt. Der Anschluss des neuen Betonparamentes an den Ankerriegel wurde mittels Querkraftdornen kraftschlüssig ausgeführt. Dadurch konnte die Kraftübertragung zum verbleibenden Mauerwerksgewölbe im Zuge der Entspannung der Anker deformationsarm sichergestellt werden. Hinter dem Betonparament ist eine Drainagematte angeordnet, mir der anfallendes Wasser drucklos zum Gewölbefuß ableitet wird (Bild 8).

                      

2.4 Rutschhang

Im Bereich des Rutschhanges wurde der Abbruch und Neubau des Paraments in Etappen und die Ausbruchsicherung verstärkt geplant, um eine erneute Aktivierung von Verformungen im Hang zu vermeiden. In diesem Bereich wurde der Tunnel nach dem Bau des Straßentunnels und den daraus entstandenen Deformationen mit Sohlsprengern in Abständen von 2.5 m ausgerüstet. Bei der Ausweitung wurden die bestehenden Sohlsprenger teilweise rekonstruiert und an das neue Betonparament angeschlossen (Bild 9).

2.5 Lockergesteinsstrecken

Ein Novum auf der Strecke Basel–Chiasso/Ranzo bestand in der einseitigen Ausweitung unter Bahnbetrieb in den beiden Lockergesteinsstrecken sowie an den Portalen und konnte mit nicht alltäglichen Bauhilfsmaßnahmen gut beherrscht werden. Obwohl im Rahmen früherer Instandsetzungen Verfestigungsinjektionen ausgeführt worden waren, wies das Lockergestein ohne weitere Zusatzmaßnahmen eine ungenügende Stabilität auf. Die geringe Überlagerung ließ zudem eine Rückverankerung eines Betonriegels (Ankerriegel) wie in der Felsstrecke nicht zu.

So wurde der Betonriegel über eine kurze Strecke unverankert, dafür jedoch mit verstärkter Bewehrung ausgeführt, um die Kräfte besser überbrücken zu können. Im Wesentlichen wurde die Gewölbeausweitung in der Lockergesteinsstrecke in kurzen Etappen hergestellt. Um Ablösungen von Mauerwerkssteinen zu vermeiden, wurde das verbleibende Gewölbe mittels Stahllongarinen und kurzen Ankern in Längsrichtung stabilisiert.

Die zu öffnenden Paramentfenster wurden vorgängig zum Ausbruch mit einem dichten Raster von Selbstbohrinjektionsankern und Injektionen gesichert (siehe Bild 7).

Im Portal Süd wurde das dicht gelagerte Lockermaterial mit in einer zusätzlichen Injektionskampagne mit Feinzement von der Oberfläche verfestigt. Im Portal Nord steht sehr heterogenes Material mit Fremdkomponenten an, welches die Wirksamkeit solcher Injektionen in Frage stellte. Die verbleibenden Stabilitätsrisiken wurden mit einer dichten Reihe von „Pfählen“ (vermörtelte Swiss Gewi 50 mm, „Pfahlschirm“), schief und quer zum Tunnel versetzt, minimiert (Bild 10).

Auch die gemauerten Portalwände mussten auf die einseitig ausgeweitete Geometrie angepasst werden. Die Steine des Portalkranzes wurden abgebrochen und ersetzt. Die Portalwand wurde vorgängig zum Abbruch der letzten zwei Blöcke und des Portalkranzes mit dem Balken mittels Stahllongarinen und horizontalen, im Balken verankerten Stabankern gesichert. Mit der Neumauerung des Portalkranzes (Bild 11) wurden die Rohbauarbeiten im Tunnel abgeschlossen.

2.6 Schotterhalterung

Zur Schotterhalterung beim Schotterersatz wurde aufgrund der zeitlichen Randbedingungen eine Schotterverklebung vorgenommen. Es ist die schweizweit erste Schotterverklebung entlang eines Betriebsgleises bei Aufrechthaltung der Betriebsgeschwindigkeit (85 km/h). Die Bauherrschaft (SBB) griff dabei auf ihr Versuchsprogramm aus dem Jahr 2013 und auf die Erfahrungen aus Projekten mit Langsamfahrstrecken (30 km/h) zurück. Vor der Ausführung wurde ein Versuchsfeld eingerichtet und der Zustand über mehrere Wochen beobachtet (Bild 12). Die Schotterarbeiten wurden minutiös geplant, um den Zeitraum mit geöffnetem Graben möglichst zu minimieren.

3 Fazit

Die Arbeiten im Tunnel Maroggia der SBB konnten erfolgreich abgeschlossen werden. Mit einer außergewöhnlichen Leistung aller Beteiligten im Projekt in den letzten Wochen und Monaten konnte dieses Ziel erreicht werden. Der seit Sommer 2016 einseitig gesperrte Doppelspurtunnel auf der Nord-Südachse kann damit bereits seit März 2018 nach etwas mehr als 1,5 Jahren Bauzeit wieder voll genutzt werden.

Mit dem gewählten, neuartigen Bauverfahren mit einseitiger Aufweitung des Tunnelprofils konnte die Bauzeit verkürzt werden. Die ungünstigen geologischen Verhältnisse, wie z. B. die Lockergesteinstrecken unter geringer Überlagerung, die engen terminlichen Randbedingungen sowie die hohen Anforderungen an die Sicherheit während des Bahnbetriebs auf dem zweiten Gleis im Tunnel, stellten große Herausforderungen an die Projektierung und die Ausführung.

Die Arbeiten erfolgten unter sehr engen Platzverhältnissen, ab Bauzug mit Schutzwand, um den Bahnbetrieb auf dem benachbarten Betriebsgleis aufrecht zu erhalten. Zudem befindet sich der Tunnel an der Engstelle Bissone/Maroggia in einem Rutschhang, wobei die Bahnlinie resp. der Tunnel zwischen der Kantonsstraße und der Autobahn verläuft.

Mit einer durchdachten Planung und einer aktiven, zielorientierten Zusammenarbeit zwischen der ausführenden Unternehmung, dem Projektverfasser sowie der SBB konnten die Anforderungen gemeistert werden. Trotz immensem Leistungsdruck stand bei allen Projektbeteiligten die Sicherheit an erster Stelle.

Projektbeteiligte/
Project Partners

Auftraggeber/client: Schweizerische Bundesbahnen/Swiss Federal Railways (SBB)

Projekt, Bauleitung/project and construction management:    Rothpletz, Lienhard + Cie AG, Olten; Pini Swiss Engineers SA, Lugano

Rohbauarbeiten/structural work contractors: Marti Tunnelbau AG, Mancini & Marti S.A., Bellinzona

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