Tunnel Grötzingen, B10

1. Aufgabenstellung

Die Bundesstraße B 10 Karlsruhe-Stuttgart verbindet die Oberzentren Karlsruhe und Pforzheim. Dabei durchquert sie u.a. den Stadtteil Karlsruhe - Grötzingen.

Eine Verkehrsanalyse 1990 ergab, dass die Ortsdurchfahrt Grötzingen eine Belastung von 28.000 Kfz/24 h erfährt, wobei der Schwerlastverkehr zwischen 9 und 12%liegt.

Aufgrund der Verkehrssituation wurden mehrere innerörtliche Varianten untersucht und als Ausführungsvariante ein Tunnel in Tieflage in der Ortslage von Grötzingen unmittelbar südlich der Bahnlinie Karlsruhe - Pforzheim planfestgestellt.

Im Zuge der insgesamt 1 .738 m langen Baumaßnahme befinden sich der 910 m lange, in offener Bauweise im Grundwasser zu erstellende Straßentunnel sowie die sich anschließenden Grundwasserwannen mit einer Länge von ca. 58 m im Westen und 140 m im Osten.

Unter Berücksichtigung der Zwangspunkte:

• Anschluss des bestehenden 4-spurigen Ausbaus der B 10 im Westen
• bestehende Stützmauer neben der B 10 im Bereich des Augustenberges
• Gleisanlagen der Bundesbahnstrecke Karlsruhe - Pforzheim
• Anschluss an die bestehende B 10 im Osten

ergab sich folgender Trassenverlauf von West nach Ost.

Der Tunnel verläuft zunächst in einem Linksbogen mit einem Radius R = 800 m, der in einen Radius R = 500 m übergeht. Danach wird die Achse von der etwa parallel verlaufenden Bahnlinie Karlsruhe - Pforzheim bestimmt, die einen Minimalabstand von 5,45 m von Außenwand Tunnel zur Gleisachse besitzt. Im Bereich der Lüftungszentralen reduziert sich der Abstand auf 3,75 m. Dem Radius R = 2.100 m im Linksbogen schließt sich bis Tunnelende eine Gerade an.

Die Gradiente wird durch die Zwangspunkte Unterquerung Bahnunterführung Kirchstraße, ausreichende Überdeckung der auf dem Tunnelangeordneten Lüftungszentralen und Aufrechterhaltung des städtischen Kanals der Oberaustraße bestimmt, so dass sich für die Wannenlage von Westen kommend zunächst ein Gefalle von 6 % bis zum Tiefpunkt unter der Kirchstraße ergibt. In Richtung Osten steigt die Gradiente kontinuierlich mit 0,75 % auf einer Länge von 729 m an, bevor sie im Ostportalbereich mit einer Steigung von 5 % auf das Niveau der bestehenden B 10 geführt wird. Die Ausrundungsradien der Wanne betragen im Westen 1.500m, im Osten 2.500m.

Als Regelquerschnitt im Tunnel kommt durchgehend ein Rechteckquerschnitt 12t zur Anwendung. Die Gesamtfahrbahnbreite beträgt 7,50 m zzgl. zwei jeweils 1,0 m breiten Notgehwegen, die durch einen 15 cm hohen Bordstein von der Fahrbahn abgegrenzt sind, so dass sich eine lichte Breite von 9,50 m ergibt. Die lichte Höhe des Fahrraumes beträgt 4,50 m zzgl. des für die betriebstechnischen Einrichtungen wie Beleuchtung notwendigen Platzbedarfs von 0,40 m, so dass sich eine lichte Deckenhöhe von 4,91 m in Tunnelachse über Fahrbahn ergibt.

Der Regelquerschnitt im Trog-/Rampenbereich ist hinsichtlich Fahrbahnbreite und Breite der Notgehwege mit dem des Tunnelquerschnitts identisch.

Der Pannenbuchtquerschnitt wurde um 2,50m nach beiden Seiten aufgeweitet, so dass die lichte Bauwerksbreite hier 14,5 m beträgt. Im Bereich des Auffangbeckens wurde der Querschnitt einseitig um 2,50 m aufgeweitet.

2. Bauwerksentwurf

2.1 Geologische Verhältnisse

Zur Erkundung der geologischen und hydrologischen Verhältnisse wurden 26 Bohrungen, von denen 10 als Pegel ausgebaut wurden, entlang der Trasse abgeteuft.

Aufgrund der Bohrergebnisse ist der Baugrund in drei Schichten unterteilt:

• Unter der Geländeoberfläche steht Auffüllboden sowie eine bindige Deckschicht aus sandigen Schluffen und Tonen unterschiedlicher Mächtigkeit an.
• In der mittleren Schicht stehen Talkiese unterschiedlicher Mächtigkeit an, die mit Steinen durchsetzt sind und teilweise mehr oder weniger Schluffbeimengungen aufweisen.
• Die unterste Schicht besteht aus den Festgesteinen des Buntsandsteins, der aus feinkörnigen tonigen Sandsteinen mit z. T. stärkerer Klüftung besteht.

Die Tunnelsohle liegt bis max. rd. 12,5 m unter der Geländeoberkante und bindet fast auf der gesamten Länge in den Festgesteinsbereich ein, bei dem es sich um gleichförmigen bis teilweise auch gebankten Sandstein mit eingelagerten Tonschichten geringer Mächtigkeit handelt. Die Aushubssohle liegt hauptsächlich im Bereich des kompakten Gebirges.

Im Bereich der Tunnelportale und der anschließenden Grundwasserwannen liegt die Aushubsohle teilweise im Bereich der bindigen Überlagerungen oder im Bereich der Talkiese. In diesem Bereich wurde daher zur Gründung des Bauwerkes ein Bodenaustausch in einer Dicke von rd. 1 m ausgeführt.

Der Tunnel schneidet über seine gesamte Länge in einen zusammenhängenden Grundwasserspiegel ein, der sich in einer Höhe zwischen 3,0 m und 5,0 m unter Gelände einstellt.

In regenreichen Jahren kann das Grundwasser bis Geländeniveau ansteigen, so dass von einer Schwankungsbreite von bis zu 4 m ausgegangen werden muss. Die Strömungsrichtung des Grundwassers ist senkrecht auf das Tunnelbauwerk gerichtet.

Bei den bindigen Kiesen betrug die Wasserdurchlässigkeit rund 10-3 bis 10-4 m/s, so dass mit einem Wasseranfall von 1,9 bis 9,5 l/s auf 10 m zu rechnen war.

Für den Buntsandsteinbereich wurden die Wasserzuflussmengen im kompakten Fels als gering eingeschätzt, wobei aus Großklüften, die im Zuge der Erkundung nicht angeschnitten wurden, mit größeren Zulaufmengen gerechnet werden musste.

Im Zuge der Bauausführung stellte sich heraus, dass der Buntsandstein bis unter die Aushubsohle weitestgehend stark klüftig und somit insgesamt wasserführend war.

2.2 Bauwerkskonstruktion

Der Tunnel Grötzingen benötigte aus lüftungstechnischer Sicht drei Lüfterzentralen, die aus baulichen Gründen oberhalb des Bauwerkes angeordnet wurden. Die Lüfterzentrale l umfasst ebenfalls die Betriebszentrale, in der alle Anlagen für den Betrieb des Tunnels untergebracht sind.

Im Bereich des Tunnels waren für die technische Ausrüstung wie Belüftung, Entwässerung, Fluchtmöglichkeiten. Warn- und Beleuchtungseinrichtungen usw. mehrere Sonderbauwerke und bautechnische Details notwendig. Dazu gehören:

• an beiden Tunnelenden hlebewerke
• am Tunneltiefpunkt ein Staubecken mit rd. 72 m3 Fassungsvermögen
• Revisionsschächte zur Wartung und Reinigung des Grundwasserkommunikationssystems
• etwa in Tunnelmitte eine doppelseitige Haltebucht unterhalb der Lüfterzentrale und eine verkürzte Pannenbucht auf der Südseite oberhalb des Staubeckens
• in jeder Lüfterzentrale ein integrierter Noteinstieg, so dass drei Fluchttreppen zur Verfügung stehen, in denen gleichzeitig die Eingänge zu den Zentralen angeordnet sind
• je Zentrale ein oberirdischer Kamin, durch den Frischluft angesaugt wird
• Notruf- und Installationsnischen
• Nischen in der Tunneldecke für die Lüfteranlagen.

Da der Tunnel in offener Bauweise erstellt wurde, wurde der Querschnitt als Rechteckquerschnitt ausgebildet.

Die Abmessungen der Wände, Decken und Sohle ergaben sich hauptsächlich infolge der Auftriebs- Sicherheit, des Erddruckes und der Überschüttung. Die Auftriebssicherheit wurde für einen Grundwasserstand bis Oberkante Gelände nachgewiesen.

Die Dicke der Sohlplatte beträgt im Regelquerschnitt sowie in den Lüftzentralen l und III im Mittel 1,25 m, während im Bereich der doppelseitigen Pannenbucht der Lüfterzentrale II die Sohlstärke auf 1,55 m erhöht werden musste.

Die Außenwände im Tunnel- und Obergeschoss wurden mit 0,8 m bis 1,0 m ausgebildet. Die Decke zwischen Tunnel- und Obergeschoss wurde im Bereich der Zentralen der Höhe der Außenschalung angepasst und beträgt 1,04 m.

Innerhalb der einzelnen Baudocks wurde der Tunnel in 10 m langen Blöcken hergestellt. Jeder Block wurde als wasserundurchlässige Betonkonstruktion aus B 35 hergestellt. Der Tunnelrahmen des Regelquerschnitts wurde monolithisch in einem GUSS betoniert, um Spalt- und Schwindrisse zu verhindern.

Für die Nachbehandlung des Betons wurde analog zur Blocklänge ein 10 m langer Nachläuferwagen mit einer wärmedämmenden Isolierhaut nachgezogen.

Die Fugen wurden als Raumfugen mit einem innen liegenden Elastomerfugenband mit Stahllaschen und Nachinjektionsmöglichkeit ausgeführt. Zusätzlich wurde ein außen liegendes Elastomerfugenband eingebaut. Tunnelinnenseitig wurde die Raumfuge mit einem Fugenabschlussband ausgeführt.

Zur Vermeidung unterschiedlicher Setzungen wurden die Tunnelblöcke untereinander mit 1,0 m langen Dollen verdübelt.

Für das Tunnelportal West wurde eine Stahlkonstruktion mit fünf auf der Trogwand montierten 3-Gelenk- Rahmen und einer Trapezblechabdeckung als Galerie gewählt, die mit Kletterpflanzen begrünt wurde.

Im Ostportal wurde die Rahmenkonstruktion des Bauwerkes beibehalten.

Die Wände der Trogstrecken sowie die Wände der Tunneleingangsbereiche wurden auf einer Länge von 22 m aus Lärmschutzgründen mit einem hochabsorbierenden Ziegelmauerwerk verkleidet, welches in einer Ausklinkung in die Betonkonstruktion eingesetzt wurde.

In den Grundwasserwannen wurde auf dem Beton eine Abdichtung gemäß ZTV-BEL B2 aufgebracht. Der Fahrbahnaufbau über der Abdichtung beträgt insgesamt 12 cm Asphaltbeton einschließlich Schutzschicht.

Im Tunnel wurde der Fahrbahnaufbau mit 40 cm Frostschutzschicht, 14 cm bituminöse Tragschicht, 8 cm Binderschicht und 4 cm Deckschicht ausgeführt.

2.3 Entwässerung

Die im Tunnel bei Lösch- und Reinigungsarbeiten anfallenden Schmutzwässer sowie durch Fahrzeuge eingeschleppte Regenwässer werden in einer Hohlbordrinne gefasst und ca. alle 50 m über Kontrollschächte mit Nasssiphonierung der Tunnellängsentwässerung zugeführt.

Das Wasser wird im Tiefpunkt des Tunnels bei km 0 + 847,25 in einem Staubecken mit einem Auffangvolumen von 85 m3 gesammelt.

Die Entleerung ist über eine Saugleitung im Kontroll- Schacht zur Geländeoberfläche vorgesehen. Je nach Kontaminierungsgrad wird das Wasser entweder über Pumpwagen entsorgt oder dem Schmutzwasserkanal in der Kirchstraße zugeführt.

Das in den Trogstrecken und im Tunneleingangsbereich anfallende Oberflächenwasser wird den in den Portalbereichen angeordneten Tauchmotorpumpen in die Schmutzwasserkanäle weitergeleitet.

2.4 Betriebseinrichtung, Ausstattung

Die für die Elektroversorgung und Lüftungs- Steuerung des Tunnels notwendigen Einrichtungen sind in der Lüfterzentrale l, die gleichzeitig als Betriebszentrale dient, untergebracht. Die Lüfterzentrale l ist im wesentlichen Bereich des Tunnels oberhalb des Fahrgeschosses unterirdisch angeordnet. Der Zugang erfolgt vom Tunnel aus über das Fluchttreppenhaus und oberirdisch über die Kirchstraße.

In der Betriebszentrale sind Räume für Trafo, Batterie, 20-KV, NSP und Lüftungssteuerung vorgesehen.

Der gesamte Tunnelbetrieb wird automatisch überwacht und über ein digitales Leittechniksystem ferngesteuert, wobei für alle Betriebsvorgänge autarke Vor-Ort-Steuerungen installiert sind.

Die Energieversorgung erfolgt aus dem Mittelspannungsnetz der EnBW mit 20 KV. Die Übergabestation einschließlich Umspanner ist in der Lüfterzentrale l angeordnet. Eine zusätzliche Sticheinspeisung ist als Reserve vorgesehen.

Bei Ausfall der Energieversorgung ist eine batteriebetriebene unterbrechungslose Stromversorgung (USV), die für einen Zeitraum von einer Stunde ausgelegt ist, für alle Sicherheitssysteme, die Feuermeldeanlage, die Hinweisleuchten, die Mess- und Regelanlagen und die Nachtdurchfahrtsbeleuchtung angeordnet.

Der Tunnel ist mit Natriumdampfhochdrucklampen in einreihiger Anordnung beleuchtet. Diese werden aus Wartungsgründen außermittig zur Tunnelachse angeordnet. Die Adaptationsstrecke erhält eine Gegenstrahl-, die Innenstrecke eine Mischkontrastbeleuchtung.

Als Lüftungssystem ist eine Halbquerlüftung mit punktweiser Frischluftzufuhr vorgesehen.

Bei diesem Lüftungssystem werden über den Tunnel verteilt drei Lüfterzentralen oberhalb des Fahrgeschosses angeordnet und mit jeweils zwei Axial- Ventilatoren ausgerüstet. In der Zwischendecke Lüfterzentrale/Fahrraum ist in jeder Lüfterzentrale ein Deckenschlitz für die punktweise Frischluftzufuhr vorhanden.

Bei einem Brand im Tunnel wird in der am nächsten liegenden Lüfterzentrale die Drehrichtung der Axialventilatoren umgekehrt und der Rauch über den Deckenschlitz abgesaugt und über den Abluftschacht zur Lüfterzentrale ins Freie geleitet.

Für die Rauchabsaugung waren maximal zwei Lüfterstationen erforderlich, so dass über die Dritte immer Frischluft in den Tunnel geblasen werden kann. Die Ventilatoren sind für jeweils 25 m3/s Zu- bzw. Abluft ausgelegt.

Insgesamt sind sechs Notruftelefone im Tunnel in Nischen eingebaut. In den Nischen sind je zwei Trockenfeuerlöscher sowie ein Hydrantenanschluss für die Feuerwehr und eine Brandmeldeeinrichtung angeordnet.

Feuer wird im Tunnel über ein automatisches Linienfeuermeldesystem erfasst. Für die Brandbekämpfung ist eine Trockenleitung im Tunnel verlegt. Das Füllen der Hydrantenleitung über die Anschlussleitung in Lüfterzentrale l wird automatisch über die Feuermeldeeinrichtung eingeleitet.

3. Bauablauf

3.1 Baugrubenverbau

Als Baugrubenverbau wurde ein verankerter, wasserdichter Spundwandverbau vorgesehen, der nach dem Verfüllen wieder gezogen werden konnte. Vor dem Einrütteln der Spundwandsohle war eine Kiespfahlwand mit verrohrter Bohrung herzustellen, da grobe Gerölle im Kies und in den darüber lagernden bindigen Deckschichten zu Beeinträchtigungen beim Einrütteln führen können. Des Weiteren war eine dichte Einbindung des Spundwandfußes in den Fels notwendig. Für die Dichtigkeit des Spundwandfußes war zusätzlich eine Fußinjektion vorgesehen.

Die anstelle der Kiespfahlwände im Nebenangebot beauftragten Auflockerungsbohrungen mit Schneckenbohrgerät für den Einbau der Spundwände waren technisch ausführbar jedoch blieb bindiges Feinmaterial an den Schneckengängen hängen und wurde nach oben gefördert, so dass die geförderten Bodenmengen von ca. 0,5 m3 pro Bohrung im unmittelbaren Bahnbereich oder im Bereich der Bebauung hätte zu Setzungen führen können.

Das Einbringen in den Buntsandstein war nur auf ca. 10 cm Tiefe möglich. Beim Ausheben der Baugrube zeigte sich der Fels sehr brüchig und zerrissen, so dass das Fußauflager der Spundwände teilweise abbrach.

Durch die starke Klüftigkeit des Buntsandsteins drang deutlich mehr Wasser der Baugrube zu. Die vorgesehenen Absenk- und Sickerbrunnen waren weitgehend wirkungslos, da das zuströmende Wasser hauptsächlich in den tiefliegenden Klüften lief. Dadurch musste das Verbaukonzept abgeändert werden.

Zunächst wurden gemäß Amtsentwurf durch verrohrte Bohrungen wieder Kiespfahlwände hergestellt, in die die Spundwände eingerüttelt wurden. Die Spundwandachse wurde, soweit technisch möglich, um 50 cm nach außen verschoben, um das Felsauflager des Spundwandfußes sicherzustellen.

Als nächster Schritt wurden, um den Wasseraustritt aus den Klüften des Buntsandsteins zu reduzieren, die Verbauwände (Spund- und Bohrpfahlwände) bis 30 cm unter Baugrube geführt.

Beim Aushub zeigte sich jedoch, dass das zusammenhängende Kluftwassersystem das Wasser nun über die Sohle in die Baugrube drückte, so dass das Verbausystem auf ein Kurz-Lang-System umgestellt werden konnte. Dabei wurden die bewehrten Pfähle 30 cm unter die Baugrube geführt, während die unbewehrten Pfähle 1,0 m in den Fels eingebunden wurden. Damit konnten bei geringfügig höherem Wasserandrang erhebliche Mehrkosten eingespart werden.

Die Absenk- und Sickerbrunnen wurden nicht weiter geführt. Trotz des anfallenden Wassers von durchschnittlich 60-80 1/s, das bereichsweise auf über 100 1/s anstieg, wurde die prognostizierte Gesamtwasserentnahmemenge aus Brunnen und Baugrube nicht überschritten.

Für die Ableitung des in der Baugrube anfallenden Grund- und Regenwassers musste lediglich ein zweites Absetzbecken errichtet und dem Baufortschritt folgend zusätzliche Pegel gesetzt werden.

In Bereichen direkt angrenzender Bebauungen und unmittelbar neben der Bahnstrecke wurde eine überschnittene, rückverankerte Bohrpfahlwand vorgesehen, die wegen der Nähe der Bebauung und der Bahngleise teilweise bis 10:1 gegen den Tunnel geneigt wurden. Die Einbindung im Fels betrug 1,0 m.

Der Bereich unterhalb der Spund- und Bohrpfahlwand im Buntsandsteinbereich wurde senkrecht abgeböscht und mit Maschendraht, Spritzbeton sowie Felsnägeln gesichert. Das durch Klüfte zulaufende Grundwasser wurde über Abschlauchungen abgeleitet.

3.2 Wasserhaltung

Zur Begrenzung des Grundwasseraufstaus war die maximale Verbaulänge auf 200 m begrenzt.

Gemäß dem hydrogeologischen Gutachten betrug die Zuflussmenge für ein 200 m Baudock bis zu 1 42,5 l/s. Daher wurde zur Grundwasserkommunikation oberstromseitig Absenkbrunnen im Abstand von 10m angeordnet, wobei im Wechsel Entnahme- und Beobachtungsbrunnen auszuführen waren. Unterstromseitig wurden, um ein Absinken des Grundwassers zu verhindern, Sickerbrunnen im Abstand von 10 m angeordnet.

Das überschüssige geförderte Wasser, welches über Sickerbrunnen nicht wieder dem Grundwasser zugeführt werden konnte, wurde über eine Druckleitung der Pfinz zugeleitet.

Das in der Baugrube durch den Verbau und aus der Sohle drückende Restwasser sowie das Niederschlagswasser wurde über Absetzbecken und CO - Neutralisation ebenfalls der Pfinz zugeführt.

3.3 Bauablauf

Um einen kontinuierlichen Baufortschritt zu gestalten, wurden die max. 210 m langen Baudocks in jeweils zwei Einzeldocks unterteilt, so dass die Baumaßnähme insgesamt 20 Einzeldocks umfasste.

Begonnen wurde die Baumaßnahme wegen der Herstellung der Unterführung Kirchstraße bei Block 22 (Bereich Kirchstraße). Von dort wurden die Tunnel und Trogblöcke nach Westen hin hergestellt.

Nach Fertigstellung des westlichen Bereichs wurde ab Block 27 der Tunnel in östliche Richtung hergestellt. Der Sonderbereich Lüfterzentrale l und Staubecken wurde zunächst ausgespart. Parallel zu den Lüfterzentralen II und III wurden der Tunneleingangsbereich Ost Dock 17 und 18 hergestellt.

Als letzte Bauphase wurde die Lüfterzentrale l Dock 11/12 ausgeführt. Parallel dazu wurden die Blöcke der Grundwasserwanne Ost (Dock 19 und 20) hergestellt.

Nach Herstellung des Verbaus über zwei Einzeldocks wurden der Baugrubenaushub, der Rohbau des Tunnels, das Grundwasserkommunikationssystem, die Verfüllung der Baugrube und der Rückbau des Verbaus fertiggestellt. Aus diesem Grund wurde in jedem Dock vor dem Ziehen des Verbaus ein Querschott aus Beton angeordnet, welches den Grundwasserzufluss vom fertiggestellten Abschnitt zur nächsten Baugrube verhinderte.

Erst nach Wirksamkeit dieses Querschotts konnte der Verbau gezogen und der Verbau für das nächste Einzeldock begonnen werden.

 

 

• Land: Deutschland
• Region: Baden-Württemberg
• Tunnelnutzung: Verkehr
• Nutzungsart: Straßentunnel
• Auftraggeber: Regierungspräsidium Karlsruhe
• Planer: Bung Beratende Ingenieure GmbH, Gackstatter und Partner, SHB Schindler Haerter AG
• Ausführende: Wolff & Müller GmbH & Co. KG
• Bauweise: Offen
• Vortrieb: Deckelbauweise
• Auskleidung: Ortbeton
• Anz. Röhren: 1
• Gesamtlänge: Tunnel 910,0 m, Trogstrecke West 57,55 m, Trogstrecke Ost 140,0 m
• Herstellkosten: Rohbau rd. 53,5 Mio. DM
• Bauzeit: 1994-1999
• Fertigstellung: 1999