Grand Paris Express

Stahlfaserbewehrte Tübbinge verbessern Umweltbilanz

Obwohl die Verwendung von Stahlfasern für Spritzbeton oder Betontübbinge die CO2-Bilanz signifikant verbessern kann, ist deren Einsatz in Europa noch wenig verbreitet. Am Beispiel des Bauloses 16-1 des Schnellverkehrsnetzes Grand Paris Express (GPE) in Frankreich wird dargestellt, wie das Zusammenspiel innovativ denkender Baupartner nicht nur Kosteneinsparungen möglich macht, sondern auch der Umwelt nutzt.

Umfassende klimarelevante Optimierungen sind vor allem bei der Produktion von Zement, Beton und Stahl möglich. So entstehen etwa bei der Herstellung von Zement in Deutschland ca. 0,6 t CO2 pro 1 t Zement.  Die Verwendung von Hochleistungsbetonen ermöglicht deutlich geringere Bauteildicken, was wiederum zu Einsparungen bei der Stahlbewehrung, der Betonmenge und dem Zementanteil führt. Bereits beim Entwurf und bei der Planung von Bauwerken sind klimarelevante Verbesserungen möglich: hier werden die konstruktiven Entscheidungen für umweltfreundlichere Bauweisen getroffen, wie etwa faserverstärkte Tunnelauskleidungen.

1 Einführung

In einigen Ländern hat sich die Verwendung von Stahlfasern bereits durchgesetzt, so z. B. in den USA, Kanada und auch Australien (Bild 1). Einen Wendepunkt in der Anwendung markierte der U-Bahnbau in Doha, Katar, wo 2014 in besonders aggressiver Umgebung (12 % Chloride, 5000 mg/l Sulfate) zu 100 % faserverstärkte Lösungen und innovative Betonkonzepte die hohen Anforderungen an die Dauerhaftigkeit erfüllten. Weltweit – und insbesondere seit der Veröffentlichung des Model Code 2010 – sind englischsprachige Länder führend bei der Verwendung von stahlfaserbewehrten Betonen, hier etwa Großbritannien, Singapur und Malaysia mit Metro- und Abwasserprojekten.

1 | Beim Legacy Way Straßen-
tunnel in Brisbane, Austra-
lien, wurden über 1000 t CO2-Emissionen unter anderem durch die Verwendung von stahlfaserbewehrten Tübbingen für die 4,25 km lange Doppelröhre vermieden
Credit/Quelle: Eiffage Génie Civil

1 | Beim Legacy Way Straßen-
tunnel in Brisbane, Austra-
lien, wurden über 1000 t CO2-Emissionen unter anderem durch die Verwendung von stahlfaserbewehrten Tübbingen für die 4,25 km lange Doppelröhre vermieden
Credit/Quelle: Eiffage Génie Civil

Erstmals in größerem Umfang wurden nun Stahlfasern bei der Bewehrung der Betontübbinge von 12 km der neuen 19,3 km langen Linie 16 in Los 1 des Schnellverkehrsnetzes Grand Paris Express (GPE) eingesetzt. Geplant war eine herkömmliche Korbbewehrung der Tübbinge, die durch Stahlfaserbewehrung ersetzt wurde.

2 Projektbeschreibung

Der 19,3 km lange Tunnel des Bauloses 16-1 wird mit sechs Herrenknecht-Tunnelbohrmaschinen und drei verschiedenen Durchmessern aufgefahren (Bild 2). Im Verlauf der Trasse entstehen die fünf Stationen Saint Denis Pleyel, Stade de France, La Courneuve, Le Bourget und Le Blanc Mesnil sowie 21 Nebenbauwerke mit vier Tunnelkreuzungen. Insgesamt werden rund 6 Millionen Tonnen Aushubmaterial anfallen. 800 000 m3 Beton sollen für konstruktive Bauten und 200 000 m3 Beton für Tunnelsegmente verwendet werden. In Spitzenzeiten sind etwa 2250 Arbeiter (mit 6 Millionen Arbeitsstunden) auf der Baustelle beschäftigt; im November 2023 sollen die Bauarbeiten nach rund 69 Monaten abgeschlossen sein.

2 | Startschacht für zwei von sechs TBM des Bauloses 16-1 der Schnellbahnlinie Grand Paris Express, Frankreich
Credit/Quelle: Eiffage Génie Civil

2 | Startschacht für zwei von sechs TBM des Bauloses 16-1 der Schnellbahnlinie Grand Paris Express, Frankreich
Credit/Quelle: Eiffage Génie Civil

Im Dezember 2019 begann das Bauunternehmen Eiffage Génie Civil im Tübbingwerk in Conflans Sainte Honorine (Frankreich) mit der Herstellung der Betontübbinge; im Juli 2020 wurden die ersten Segmente eingebaut. Die Teams von vier TBM des Bauloses 16-1 bauen in einem 12 km langen Bereich des  Tunnels mit 9,5 m Außen- und 8,7 m Innendurchmesser pro Tunnelring 7+0 Segmente aus 100 % stahlfaserbewehrtem Beton ein.

3 Machbarkeitsstudie

Grundlage für die Machbarkeitsstudie war die umfangreiche Aufklärungsarbeit bei Bauherrin (Société du Grand Paris), Bauunternehmen und Tübbingherstellern zu den Vorteilen der Verwendung von Stahlfasern. Für die Studie wurde die Stahlfaser Dramix ausgewählt, um die Mindestkennwerte gemäß Model Code 2010 zu erreichen. Das FIB-Bulletin 83 (2017) VP 1.4.1, welches das als Model Code 2010 (2010) bekannte FIB-Bulletin ergänzt, legt die allgemeinen Regeln für Belastungen fest, die während der Lebensdauer eines Segments auftreten können. Von zehn Möglichkeiten wurden die folgenden Lastfälle berücksichtigt:

Entformen

Lager

Handhabung

Transport

Zylinderschub

Geologie

 Zudem wurde von den drei für den Innenausbau in Baulos 16-1 zu produzierenden Segmentdurchmessern (6,70 m, 7,75 m und 8,70 m Innendurchmesser) nur der größte Durchmesser zu Grunde gelegt.

4 Umfangreiche Testkampagne

Um die Eignung der Stahlfasern für die Betonmatrix zu überprüfen, testete Eiffage Génie Civil Dramix-Stahlfasern von Bekaert sowie drei Fasern anderer Hersteller. Wichtige Parameter wie Sieblinie, Sand, Sand/Kies-Verhältnis, Zementqualität, Wasser/Zement-Verhältnis wurden geprüft und verglichen, da ein Minimum an Feinanteilen für eine gute Verarbeitung der Fasern und deren Verteilung in der Betonmatrix unerlässlich ist. Drei Basisrezepturen mit insgesamt fünf Fasern wurden in verschiedene Sekundärrezepturen mit Variationen in der Materialdosierung aufgeteilt und getestet.

Die Produktion der Fasern wurde zwischen Bauunternehmen und Hersteller abgestimmt und weitere umfangreiche Brandversuche, Auslegungs- und Eignungsprüfungen sowie Großversuche durchgeführt. In Großversuchen wurden zehn Segmente getestet, wobei mindestens zwei Segmente pro Serie jeweils zur Prüfung der Schubfestigkeit durch die Hydraulikzylinder und der Bruchfestigkeit der Segmente erforderlich waren. Hier wurde die maximale Schubkraft von 5200 kN der eingesetzten Herrenknecht-TBM angenommen. Mit Biegeversuchen wurde die Bruchfestigkeit der Tübbinge getestet. Es wurden 40 kg Stahlfasern pro 1 m3 Beton zugesetzt (Bild 3).

3 | Unter zahlreichen Versuchen des Bauunternehmens in Zusammenarbeit mit dem Stahlfaserhersteller waren auch Biegeversuche, um die optimale Zusammensetzung von Betonrezeptur sowie Stahlfaserart und -anteil zu bestimmen
Credit/Quelle: Eiffage Génie Civil

3 | Unter zahlreichen Versuchen des Bauunternehmens in Zusammenarbeit mit dem Stahlfaserhersteller waren auch Biegeversuche, um die optimale Zusammensetzung von Betonrezeptur sowie Stahlfaserart und -anteil zu bestimmen
Credit/Quelle: Eiffage Génie Civil

Obwohl allgemein anerkannt ist, dass synthetische Mikrofasern (meist aus Polypropylen) einen passiven Feuerwiderstand bieten, mussten die mit Stahlfasern und Polypropylen bewehrten Segmente auf ihre Tragfähigkeit unter Brandlast entsprechend der Norm NF EN 1363-1 unter folgenden Rahmenbedingungen getestet werden:

Untersuchung von 3 Segmenten im Brandtest

Temperatur von 0 bis 1000 °C

2 Stunden Belastung

20 Minuten, um die Standardeinwirkungstemperatur von 800 °C zu erreichen

Nach 18 Monaten umfangreicher Tests wurde im Dezember 2019 die finale Rezeptur für den stahlfaserbewehrten Beton der Tübbinge festgelegt.

5 Auswahl und Produktion der geeigneten Stahlfaser

Ausgewählt wurde die Dramix-Stahlfaser (SF) von Bekaert, die im tschechischen Werk Petrovice produziert wurde. Während die normale Zugfestigkeit bei 1100 bis 1300 N/mm2 liegt, wurde die SF für das Projekt mit einer höheren Zugfestigkeit von 1800 N/mm2 hergestellt. Dies wurde durch Optimierung der Hakenform und des Verhältnisses Länge/Durchmesser (L/D = 80) erreicht, wodurch die SF maximal in der Betonmatrix verankert ist. Durch die 60 mm langen und mit einem Durchmesser von 0,75 mm relativ feinen Fasern werden die Zuschlagstoffe (maximal 20 mm Durchmesser) optimal integriert, und es entsteht ein Netz von 11 km Fasern pro Kubikmeter Beton. Mit 4584 Fasereinheiten/kg sind die Fasern gleichmäßig bis in alle Bereiche der Betonmatrix des Segments optimal verteilt. Wichtig ist dabei, dass es mit den Fasern bei der Betonherstellung nicht zur Igelbildung mit Kiesnestern kommt. In der Zeit von Dezember 2019 bis Dezember 2021 wurden 5300 t Stahlfasern hergestellt, und es wurden Qualitätsstichproben im Fertigteilwerk, beim Bauunternehmen sowie in den Bekaert-Labors in Belgien durchgeführt.

6 Herstellung der stahlfaserbewehrten Tübbinge

Im Werk Conflans Sainte Honorine lagen bereits Schalformen zur Herstellung von Tübbingen für die Verlängerung der Linie 14 der Pariser U-Bahn vor. Für dieses Baulos waren die Tübbinge noch mit Bewehrungskörben und Stabstahl sowie einige wenige Elemente mit Dramix-Stahlfasern hergestellt worden.

Zur Herstellung der Tübbinge des Bauloses 16-1 wurde eine effiziente und kontrollierte Zuführung der Fasern in die Dosiereinheit entwickelt. Es wurde ein Puffer vorgeschaltet, der eine Vorfütterung von bis zu 9 t Fasern ermöglichte. Ergänzt wurde diese Vorrichtung durch ein dreifaches Wiegesystem der in den Mischer eingeführten Fasermenge (Dosierer, Faseraufnahmeband und Mischerzuführband). In einer Presse konnten Biegezugfestigkeitsprüfungen gemäß der Norm EN 14 651 durchgeführt werden, die für die Qualitätskontrolle vor Ort erforderlich waren. Insgesamt wurden eine neue Betonmischanlage, Formen mit dem richtigen Durchmesser für die Linie 16-1, die Fasermischmaschine, die Presse und der Puffer in einem Gesamtwert von rund 2 Millionen Euro angeschafft (Bild 4).

4 | Die Anlieferung der Stahlfasern in Big Bags ist deutlich umweltfreundlicher als die von Stahlbewehrung. Hier die Zuführung von bis zu 9 t Fasern in die Dosiereinheit mit dreifachem Wiegesystem
Credit/Quelle: Eiffage Génie Civil

4 | Die Anlieferung der Stahlfasern in Big Bags ist deutlich umweltfreundlicher als die von Stahlbewehrung. Hier die Zuführung von bis zu 9 t Fasern in die Dosiereinheit mit dreifachem Wiegesystem
Credit/Quelle: Eiffage Génie Civil

7 Signifikante Verbesserung der Kohlendioxidbilanz

Die deutliche Minimierung des CO2-Ausstoßes durch die Verwendung von Stahlfasern statt Stabstahl resultiert aus verschiedenen Vorteilen, wie z. B. einem deutlich geringeren Transportaufwand infolge der Reduktion der Bewehrung von rund 85 kg/m3 Stahl auf 40 kg/m3 Fasern. Gleichzeitig sind deutlich weniger Lkw-Fahrten durch optimierte Beladung möglich: Um 60 Tübbinge zu bewehren sind 22 Big Bags Stahlfasern zu je 1100 kg nötig. Dies bedeutet, dass bei der Anlieferung von Fasern die maximal mögliche Ladekapazität der verwendeten Lkw 24,20 t betragen kann statt 17,85 t mit Stabstahl.

So wird bei einem 10 km langen Tunnel der Linie 16-1 der Stahlverbrauch halbiert, was zu einer Einsparung von 5000 t Stahl und damit zu erheblichen Kosten- und Emissionseinsparungen führt. Mit Stahlfasern werden im Vergleich zu Stahlbeton 9000 t CO2-Äquivalent durchschnittlich pro 10 km Tunnel eingespart.

Ein weiterer Vorteil zeigt sich beim Vergleich der Bewehrung. So lässt sich die konstruktiv notwendige Dicke der Tübbingsegmente von 30 auf 25 cm reduzieren, da die erforderliche Betonüberdeckung der Stahlbewehrung bei ausschließlicher Verwendung von Stahlfasern entfällt und somit deutlich schlankere Bauteile möglich sind (Bild 5).

5 | Aufgrund konstruktiver Vorteile bei der Verwendung von Stahlfasern sind deutlich schlankere Tübbinge möglich. Hier ausgeschalte stahlfaserbewehrte Betontübbinge auf dem Weg zum Zwischenlager
Credit/Quelle: Eiffage Génie Civil

5 | Aufgrund konstruktiver Vorteile bei der Verwendung von Stahlfasern sind deutlich schlankere Tübbinge möglich. Hier ausgeschalte stahlfaserbewehrte Betontübbinge auf dem Weg zum Zwischenlager
Credit/Quelle: Eiffage Génie Civil

Auch die Herstellung der Bewehrungskörbe aus Stahl entfällt, was sich neben einer verbesserten Umweltbilanz mit niedrigeren Kosten bemerkbar macht. Die Herstellung der Stahlfasern ist zudem weitaus umweltfreundlicher als die Herstellung von Stabstahl.

8 Fazit

Die Produktion von stahlfaserbewehrten Tübbingen und deren Verwendung für den Innenausbau des Tunnels im Baulos 16-1 für den Grand Paris Express ist in diesem Umfang nicht nur in Frankreich, sondern in ganz Europa ein Novum. Die bei der Umsetzung gemachten äußerst positiven Erfahrungen sollten die Tür zu neuen Projekten mit faserverstärkten Tübbingen in Frankreich und Europa öffnen, zumal weltweit bereits eine große Anzahl von Tunneln mit dieser Technologie gebaut wurden.

Die Vorteile von stahlfaserbewehrtem Beton im Tunnelbau liegen klar auf der Hand:

Rissüberwachung während der Bauphase

Größere Stoßfestigkeit

Kostenreduzierung

Optimierung von Produktionsprozessen

Vorteile in der Ökobilanz

Mit dem Baulos 16-1 des Grand Paris Express Projekts konnte deutlich gemacht werden, dass der Einsatz von Stahlfasern für die Bewehrung von Tübbingen nicht nur technisch möglich und wirtschaftlich sehr reizvoll ist, sondern diese Bauweise die Umwelt signifikant schont.

References/Literatur
[1] vdz: Dekarbonisierung von Zement und Beton – Minderungspfade und Handlungsstrategien (Eine CO2-Roadmap für die deutsche Zementindustrie). https://www.vdz-online.de/fileadmin/wissensportal/publikationen/zementindustrie/VDZ-Studie_Dekarbonisierung_Zement_Beton_2020.pdf
[2] Leucker, R., Schmitz, M. (2021): „Klimaschutz im Verkehrswegebau – Gesamtoptimierung oder interessenorientierte Segmentierung?“. STUVA e. V., Köln, STUVA-Tagungsband 2021 Forschung + Praxis 56, Beitrag S. 26–39.
[3] FIB Special Activity Group 5 (2010). Bulletin 55-56: Model Code 2010 – First complete draft. Lausanne: International Federation for Structural Concrete (FIB).
[4] FIB Working Party 1.4.1 Tunnels in fibre-reinforced concrete (2017). FIB Bulletin 83 Precast tunnel segments in fibre-reinforced concrete, state-of-the-art report. (A. Meda, Ed.) Lausanne, Switzerland: Federation International du Beton (FIB).
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