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Engelberg-Basistunnel, BAB A81

1. Aufgabenstellung

Die Bundesautobahn A 81 Heilbronn-Leonberg mündet im Autobahndreieck Leonberg in die Bundesautobahn A 8 Karlsruhe-München. Die A 81 war bis etwa 4 km vor dem Autobahnkreuz Leonberg sechsstreifig ausgebaut. Das restliche Teilstück war geprägt vom bestehenden, 300 m langen Engelbergscheiteltunnel, dem ältesten, in den Jahren 1934-38 errichteten Autobahntunnel Deutschlands. Lange, mit jeweils 6% Steigung versehene Anfahrrampen zum Tunnel in Kombination mit jeweils nur zwei Fahrstreifen in den beiden vorhandenen Tunnelröhren verursachten bei Verkehrsspitzenbelastungen von bis zu 120.000 Fahrzeugen in 24 h und bei sehr hohem LKW-Anteil nahezu täglich Staus.

Bereits 1970 wurden daher Planungen mit dem Ziel einer grundlegenden Verbesserung des Verkehrsflusses aufgenommen, die zunächst sowohl eine Aufweitung der bestehenden Röhren als auch den Bau einer zusätzlichen dritten Röhre vorsahen. Da damit jedoch die großen Steigungen zum Tunnel und der das Stadtgefüge Leonbergs stark beeinträchtigende Zustand durch ein zerschneidendes Verkehrsband nach wie vor Bestand gehabt hätten, wurden diese Lösungen nicht weiter verfolgt.

Ziel neuerer Planungen war daher, die bestehenden Tunnelröhren durch zwei neue, ca. 60 m tieferliegende Röhren zu ersetzten.

Die neue Tunnellänge beträgt rund 2.500 m, davon 700 m in offener und 1.800 m in geschlossener Bauweise. Jede der neuen Tunnelröhren erhält 3 Fahrstreifen mit einer Breite von 3,50 m, 2 x 0,50 m Randstreifen, einen durchgehenden Nothaltestreifen mit einer reduzierten Breite von 2,00 m und 2 x 1,00 m Notgehwegen. Damit ergibt sich eine Gesamtbreite des Lichtraumes von 15,50 m. Auf die Anordnung von Pannenbuchten im Tunnel konnte aufgrund des durchgehenden Nothaltestreifens verzichtet werden. Aus fahrdynamischen Gründen beträgt die maximale Steigung (von Nord nach Süd) nur noch 0,9%. Die beiden Tunnelachsen sind getrennt trassiert und weisen einen Achsabstand von bis zu 36 m auf.

Neben dem Tunnelbauwerk war der grundlegende Umbau des Autobahndreiecks Leonberg erforderlich, um eine leistungsfähige und verkehrssichere Verpflechtung der Autobahnen A 81 und A 8 zu erreichen. Hierfür mussten 8,5 km Autobahnen ausgebaut bzw. neu hergestellt werden.

Insgesamt mussten 8 neue Brücken gebaut sowie eine Vielzahl an Verkehrsprovisorien eingerichtet werden.

Zwischen der östlichen und westlichen Tunnelröhre wurden 7 Querstollen als Fluchtwege bzw. zur Durchfahrt für PKW, Krankenwagen und Feuerwehr vorgesehen.

2. Bauwerksentwurf

2.1 Geologische Verhältnisse

Der Bergsporn des Engelbergs liegt am Rand der Stuttgarter Keuperlandschaft. Die Tunnelröhren durchörtern überwiegend Schichten des mittleren Gipskeupers. Die meist mergeligen Gesteine mit Gips- und Anhydriteinschlüssen werden von einer quer zur Autobahntrasse streichenden tektonischen Abschiebungszone, der sogenannten Engelberg- Verwerfung um etwa 80 m gegeneinander versetzt. Dort waren schon im Probestollen Bergwasserzuflüsse von mehreren Litern je Sekunde zu bewältigen.

Eine sehr unregelmäßig verlaufende Ablaugungsfront mit lokal stärkerer Wasserführung trennt unausgetaugtes, Gips und Anhydrit führendes, trokkenes Felsgestein von ausgelaugtem, in Schollen nachgesacktem und unterschiedlich stark plastifiziertem Gebirge. Resthohlräume mit breiigem Schluff stehen bei geringer Überlagerung im südlichen Abschnitt an. Sickerwasser tritt im ausgelaugten Gebirge unregelmäßig und in geringen Mengen auf. Es kann nicht kontrolliert abgeleitet werden. Wo es im Nordabschnitt des Bauwerks auf Anhydrit mit Corrensiteinschaltungen traf, kam es zu starken Schwellprozessen.

In den Jahren 1977 und 1978 wurde ein Sondierstollen von rund 1.000 m Länge mit zwei Probestrecken von je 50 m im nördlichen Tunnelabschitt der jetzigen Oströhre aufgefahren. Während die Probestrecke l im kohäsionsarmen ausgelaugten Gebirge angelegt wurde, befand sich die Probestrecke II im schwellfähigen, unausgelaugten Gebirge.

Beim Durchfahren des unausgelaugten Gebirges kam es durch Wasserzufluß einer ungenügend abgedichteten Kernbohrung von über Tage zu einer starken Vernässung des in der Sohle des Sondierstollens anstehenden Gebirges. Als Folge wurden 36,7 cm Sohlhebungen innerhalb von 5 Monaten gemessen, was einer täglichen Hebungsrate von 2,5 mm entspricht. Generell waren die Hebungen in der Sohlmitte am größten; aber auch die seitlichen Bereiche der Ulmenfüße haben sich, bedingt durch Scherbrüche im Ulmenspritzbeton und Ausknicken von Betonstahlmatten, deutlich gehoben.

Zu einer weiteren unangenehmen Erfahrung führte das Abteufen einer Wasserpegelbohrung bis auf das Niveau der Probestreckensohle. Etwa drei Jahre nach Auffahren der Probestrecke II wurde eine Bohrung in rund 60 m Entfernung zum Sondierstollen erstellt. Hierbei gelangte Wasser überfeine Klüfte in das als trocken und dicht geltende unausgelaugte Gebirge in die Probestrecke II. Innerhalb weniger Tage entstanden derartige Sohldrücke, dass 6 m lange Schlanker rissen und die bewehrte Spritzbetonsicherung im unmittelbaren Einzugsbereich der Feuchtstellen zerstört wurde.

Aus den Erfahrungen beim Auffahren des Sondier- Stollens und der Probestrecken sowie bei Tunnelbauwerken der Stadt Stuttgart und den Ergebnissen von Laborversuchen wurden folgende Schlüsse gezogen und der weiteren Projektabwicklung zugrunde gelegt:

  • Der Schwellprozess kann langfristig nicht verhindert werden.
  • Nicht die im Labor an ausgewählten Proben gemessenen Schwelldrücke sind für die Bemessung entscheidend, sondern der Widerstand eines überlagerten Gebirgskeils.
  • Der Schwellvorgang wird solange anhalten, wie Wasser vorhanden ist und der Schwelldruck nicht durch den vorhandenen äußeren Spannungszustand überdrückt wird.

2.2 Tragwerk, Abdichtung

Im gesamten bergmännisch herzustellenden Bereich gelangte ein zweischaliger Tunnel in Spritzbetonbauweise zur Anwendung. Die äußere Spritzbetonschale diente zur vorübergehenden Sicherung und als Dichtungsträger. Die bewehrte Innenschale aus Beton B 35 hat im Endzustand alle auftretenden Lasten abzutragen. Aufgrund des anstehenden betonaggressiven Bergwassers wurde zwischen Außen- und Innenschale eine 3 mm starke PE-Folienabdichtung angeordnet. Die Innensehale wurde in Blockabständen von 10 m hergestellt, die einzelnen Tunnelblöcke sind mittels durchgehender Raumfugen komplett voneinander getrennt. Im Bereich der Fugen wurde zusätzlich ein außenliegendes PESchottfugenband angeordnet, das mit der PEFolienabdichtung verschweißt wurde.

Die Form der Rechteckblöcke der offenen Bauweise wird am Betriebsgebäude Süd vom Regelprofil des Tunnels abgelöst. Das Gewölbe des Maulquer- Schnittes überspannt etwa 18 m. Die hohe Erdüberdeckung im letzten Abschnitt der offenen Bauweise Süd kann von diesem Tragsystem aufgenommen werden; rechteckige Querschnitte mit sehr dikken Bauteilen wären hier äußerst unwirtschaftlich. Außerdem bietet die Röhre ausreichend Raum für die unter der Fahrbahn liegenden Be- und Entlüftungskanäle, die die beiden Betriebsgebäude verbinden müssen.

In den Bereichen des Maulquerschnittes (untertägige und offene Bauweise) wird der Verkehr auf eine Fahrbahnbrücke, bestehend aus Unterstützungswand (= Trennwand zwischen Zu- und Abluft) und Fahrbahnplatte, geführt.

Der Regelquerschnitt der geschlossenen Bauweise wurde mit einer 70 cm dicken bewehrten Innenschale ausgeführt, die Ausbruchfläche beträgt 200 m2. In den Tunnelabschnitten, die im Anhydritbereich liegen, war nach dem Widerstandsprinzip zu bemessen.

Der Tunnel hat dabei mögliche Anhydrit-Quelldrücke gefahrlos aufzunehmen. Als günstig wirkend konnte die im Bauzustand erfolgte Sohlsanierung des gequollenen Anhydritbereiches genutzt werden. Bedingt durch die eliptische Form, die seitliche Ableitung der auftretenden Lasten über die eingebauten zusätzlichen Betonschichten sowie dem mit fortschreitendem Quellvorgang immer weiter ins Gebirge auswanderndem Lastangriffspunkt des Anhydrit- Quelldruckes konnte der ursprüngliche Bemessungsansatz für die Tunnelinnenschale von 2 auf 1 MN/m² reduziert werden. Die hierfür erforderliche Innenschalendicke liegt bei 3 m in der Tunnelsohle, 2 m in den seitlichen Ulmenbereichen und 1 m in der Tunnelfirste; die Ausbruchsfläche dieses Quer- Schnittes errechnet sich zu 265 m².

Die Bereiche mit besonders starkem Schwellverhalten wurden durch weitere Erkundungsbohrungen räumlich genau eingegrenzt. In den so definierten Abschnitten wurde die Sohle um etwa 3,50 m nach erfolgtem Sohlschluss der Spritzbetonschale abgesenkt und eine Verformungsschicht eingebaut um die Verformungen im Bauzustand schadlos aufnehmen zu können, wodurch die Gesamtausbruchfläche auf 332 m² anstieg.

Von dem insgesamt rund 2.500 m langen Tunnel wurden im Süden 56 Blöcke und im Norden 16 Blöcke in offener Bauweise erstellt. Die Blocklänge beträgt im allgemeinen einheitlich 10 m. Mehrstöckige Betriebs- und Versorgungsbauwerke in diesen Bereichen verbinden die beiden Röhren. Von diesen Bauwerken ist im Endzustand nur noch wenig zu sehen, denn sie werden bereichsweise bis zu 15 m überschüttet, bepflanzt und dadurch dem natürlichen Gelände weitgehend angepasst.

2.3 Tunnelportale

Aus Richtung Heilbronn kommend erkennt man im Norden von weitem schon zwei hintereinanderstehende konische Abluftkamine, die ca. 6,50 m aus einem Schüttkegel herausragen. Links und rechts davon befinden sich Ansaugschächte. Nach einer Trogstrecke nähert man sich den Portalblöcken, die das vorherrschende Erscheinungsbild des Engelbergtunnels mit seiner Gewölbestruktur zeigen. Auf- gesetzte Portalkragen sammeln das Oberflächenwasser und eventuell sich lösendes Felsmaterial und betonen die Tunneleinfahrt. Im Tunnel ist die Innenwand im Bereich derAbluftkamine über eine Strecke von etwa 30 m in Einzelstützen aufgelöst.

Vom Leonberger Dreieck fährt man im Süden in Richtung Heilbronn durch ein Rechteckportal mit ungefähr 21 m Spannweite, auskragendem Flugdach und schräggestellten Flügelwänden in den Tunnel ein. Wie im Norden ist auf Höhe des Betriebsgebäudes seitlich an jeder Röhre ein Zuluftschacht angeordnet, jedoch fehlen hier die Abluftkamine.

2.4 Betriebseinrichtungen, Ausstattung

Im Abstand von ca. 300 m sind befahrbare Querstollen angeordnet. Die Lüftung der im Richtungsverkehr betriebenen Tunnelröhren erfolgt als Halbquerlüftung. Im Bereich des Nord- und Südportals wurde je ein mehrgeschossiges Betriebsgebäude errichtet, das zwischen den beiden Tunnelröhren angeordnet und überschüttet ist. Wegen der nahen Bebauung im Bereich des Südportals ist hier eine Abluftemission nicht möglich. Eine Entlüftung in Tunnelmitte scheidet aufgrund der Bebauung ebenfalls aus.

Die Abluft der Weströhre wird im Betriebsgebäude Süd aus dem Verkehrsraum abgesaugt, zu je 50% in die Abluftkanäle der Ost- und Weströhre eingeleitet und mittels Ventilatoren nach Norden über einen Abluftkamin nach oben ausgeblasen. Die Abluft der Oströhre wird im Betriebsgebäude Nord direkt aus dem Verkehrsraum abgesaugt und über einen weiteren Abluftkamin emittiert. Die Frischluft wird an beiden Betriebsgebäuden angesaugt, im Zuluftkanal unter der Tunnelfahrbahn längstransportiert und im Abstand von 10 m seitlich in den Verkehrsraum eingeblasen (Halbquerlüftung). Insgesamt wurden 9 Ventilatoren im Betriebsgebäude Nord und 2 im Betriebsgebäude Süd eingebaut. Die Leistungen betragen bis zu 630 kW/Ventilator, die max. Luftmenge 240 m3/sec./Ventilator.

Neben der Be- und Entlüftung wurden noch weitere, für die Sicherheit der Verkehrsteilnehmer wichtige Einrichtungen installiert:

  • Löschwasserversorgung
  • Energieversorgung
  • Tunnelbeleuchtung
  • Fernsehbeobachtungsanlage
  • Brandmeldeanlage
  • Notrufeinrichtungen
  • Verkehrslenkungseinrichtungen
  • Tunnelfunkanlage
  • Tunnelsteuerungsanlage

2.5 Bauweise

Der überwiegend in geschlossener Bauweise herzustellende Tunnel wurde als zweischalige Konstruktion in Spritzbetonbauweise ausgeführt. Die Sicherung erfolgte unmittelbar nach dem Ausbruch mittels einer im Naßspritzverfahren hergestellten bewehrten Spritzbetonschale mit einer Dicke von 20 - 40 cm. Die Dicke ergab sich in Abhängigkeit von der Geologie. Als zusätzliche Sicherungsmittel kamen Ausbaubögen, Mörtelanker, Injektionsrohranker, Stahlspieße usw. zur Anwendung. Bedingt durch die Größe des Tunnelquerschnittes und der geologischen Verhältnisse, konnte kein Vollausbruch durchgeführt werden. Deshalb wurde in der Ausschreibung eine Unterteilung des Tunnelvortriebes in Ausbruchabschnitte festgelegt. Zwei Ulmenstollen wurden vorauseilend parallel vorgetrieben, in einem von der jeweiligen Gebirgsklasse abhängigen Abstand erfolgte die Herausnahme und Sicherung des dazwischen verbleibenden Kalottenabschnittes. Anschließend wurden Strosse und Sohle je halbseitig ausgeräumt und gesichert.

Im Bereich des ausgelaugten Gipskeupers ließ sich das Gebirge mittels Tunnelbaggern profilgenau lösen. Im Anhydritbereich wurde umgestellt auf Lockerungssprengungen. Die offene Bauweise wurde überwiegend flach gegründet. In den Bereichen mit stark wechselnden Baugrundverhältnisse wurden auch, je nach angetroffenen Baugrundverhältnissen, Pfahlgründungen sowie teilweiser Bodenaustausch ausgeführt.

Die Baugruben für die offene Bauweise im Norden und Süden wurden als rückverankerte Trägerbohlwände - zur Aussteifung bereichsweise mit Spritzbetonausfachung versehen - mit bis zu 8 Ankerlagen ausgeführt. Da in weiten Bereichen die Außenwände der Tunnelröhren direkt gegen die Verbauwände betoniert wurden, mussten deren Verformungen gering gehalten werden, um die Betondicken nicht zu vermindern.

Den Beginn der untertägigen Bauweise (im Norden) markierte eine 26 m hohe und 60 m breite Verbauwand, an der der Tunnel angeschlagen wurde. Im Süden ergab sich ein ähnliches Bild, nur dass hier zwei getrennte Baugruben (für Ost- und Weströhre) sowie die zugehörigen Ausfahrwände ausgeführt wurden.

3. Bauausführung

Am 24. Juli 1995 wurde der Auftrag vergeben. Die Bauarbeiten begannen bereits einen Tag später am 25. Juli 1995. Die beiden bergmännisch herzustellenden Tunnelröhren wurden parallel von Nord nach Süd aufgefahren, so dass bereits zum Tunnelanschlag im November 1995 die Nordbaugrube komplett fertiggestellt sein musste.

Um innerhalb der vorgegebenen Bauzeit den Tunnelausbruch bewerkstelligen zu können, wurden hochleistungsfähige Gerätekonfigurationen im Durchlaufbetrieb eingesetzt. Tunnelausbruch und Sicherung erfolgten dabei im 24 h-Betrieb an 7 Wochentagen.

Bereits im Juli 1997 konnte der Durchschlag der Oströhre des Engelberg-Basistunnels gefeiert werden, im September 1997 folgte die Weströhre. Beachtenswert ist die logistische Leistung, die zum Erreichen dieser Bauzeit erforderlich war. Innerhalb der 20-monatigen (Oströhre) bzw. 23-monatigen (Weströhre) Vortriebszeit mussten insgesamt ca. 1.000.000 m³ Ausbruch bewältigt sowie ca. 140.000 m³ Spritzbeton und 150.000 Ifdm Stahlprofile TH 36 eingebaut werden. Ferner kamen ca. 90.000 Stück der verschiedensten Ankertypen sowie 25.000 Rohrspieße zur Anwendung.

Um die enorm kurze Bauzeit von nur viereinhalb Jahren einhalten zu können, war es erforderlich, bereits während des Vortriebs mit dem Einbau der Innenschale zu beginnen. Die Querschläge oder Verbindungstunnel zwischen den beiden Röhren sind im Abstand von etwa 350 m angeordnet. Sie wurden so aufgeweitet, dass die Schutterfahrzeuge problemlos hindurchfahren konnten. Dadurch konnte der Vortrieb nahezu ungestört weiterfahren und bereits von Norden kommend die Innenschale eingebaut werden.

Aufgrund der Geometrie des Tunnelquerschnittes, der hohen Bewehrungsgehalte sowie des engen Terminrahmens für die Rohbauarbeiten der Innenschale mussten zur Herstellung der Sohle und des Gewölbes neue Herstellungsverfahren entwickelt werden.

Zuerst wurde das Sohlgewölbe, im Nachlauf die Fahrbahnbrücke im Abstand von 3 Blöcken und abschließend das Gewölbe im Abstand von mindestens 60 m betoniert.

Im Voreinschnitt Nord und auf der Südseite wurde parallel zu den Vortriebsarbeiten die offene Bauweise erstellt. Dann erfolgte, zuerst für die Oströhre, der Einbau der Ausbauelemente sowie der bituminösen Straßenfahrbahn bestehend aus Abdichtung, Gussasphalt, Splittmastixasphalt und einer Deckschicht aus Asphaltbeton. Am 11. September 1998 wurde die Oströhre in einer 4+0 Verkehrsführung dem Verkehr übergeben. In den verbleibenden Baumonaten bis Herbst 1999 wurde die Gesamtbaumaßnahme fertiggestellt

4. Literatur

[1] ARGE Engelberg in Zusammenarbeit mit dem Landesamt für Straßenwesen Baden-Württemberg: Engelberg-Basistunnel und Autobahndreieck Leonberg, Neubau und Modernisierung eines Verkehrsknotenpunktes

[2] ARGE Engelberg: Sonderausgabe zum Tunneldurchschlag BAB A 81, Engelberg- Basistunnel, Durchschlag 4. Juli 1997

[3] DGGT - Deutsche Gesellschaft für Geotechnik, Taschenbuch für den Tunnelbau 1999: Engelbergbasistunnel und die dabei gewonnenen Erfahrungen beim Bau eines großen Tunnelquerschnitts im schwellenden Gebirge

[4] Züblin-Rundschau 30: Ohne Stau durch Europas größten Straßentunnel

[5] Dietz, W.; Lorscheider, W.: Der Engelbergbasistunnel bei Leonberg Baden-Württemberg, ein Autobahntunnel mit großem Querschnitt in wechselhaftem Gebirge. [6] Der Engelbergbasistunnel und der Umbau des Autobahndreiecks Leonberg, Tiefbau 10/1998

 

 

  • Land: Deutschland
  • Region: Baden-Württemberg
  • Tunnelnutzung: Verkehr
  • Nutzungsart: Autobahntunnel
  • Auftraggeber: Bundesrepublik Deutschland (vertreten durch das Land Baden-Württemberg, Landesamt für Straßenwesen Autobahnbetriebsamt Heilbronn, Bauleitung Stuttgart)
  • Prüfung: Ingenieurbüro Müller+ Hereth, Ingenieurgruppe Bauen
  • Bauüberwachung: Autobahnbetriebsamt Heilbronn, Bauleitung Stuttgart mit der Ingenieurgemeinschaft Bung und Weidleplan
  • Bauausführung: Ed. Züblin AG, Bilfinger + Berger Bau AG, Hochtief AG, C. Baresel AG, Wayss & Freytag AG, Wolff & Müller GmbH & Co. KG
  • Bauweise: Geschlossen
  • Vortrieb: Baggervortrieb/Sprengvortrieb
  • Auskleidung: Ortbeton
  • Anz. Röhren: 2
  • Gesamtlänge: 2 x 2530 m, davon 1780 m bergmännisch
  • Querschnitt: 200 m² im Lockergestein bzw. 265 m² in den Anhydritbereichen
  • Herstellkosten: Auftragsvolumen: 604 Mio. DM für das Gesamtprojekt
  • Bauzeit: 7/95 bis 11/99
  • Fertigstellung: 1999