Beton-Kalender 2014: Schwerpunkte: Unterirdisches Bauen - Grundbau - Eurocode 7

Von Antti Poso und Björn Windshügel

Underground construction and foundations are very complex and expensive today, particularly in inner cities. In order to provide a quick overview of the interfaces and the necessary dialogue among qualified engineers in modern design and construction, the entire range of disciplines and specialisations involved are described.
The latest types of foundations and construction methods in general building are extensively described. Particular attention is paid to the highly non-linear and complex holistic behavior of the system ground-structure and the interaction between the verification of serviceability of the foundation and the limit state of load-bearing capacity in the structure above.
Excavations are required for almost all construction projects, from pipe laying to extensive building projects between existing buildings. The essential calculation methods and construction processes are explained here, updated from EAB 2012.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Wiley
• Erscheinungsdatum: 4. Aug. 2014
• ISBN: 9783433605080

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Inhaltsverzeichnis

1

I Ingenieurleistungen als Erfolgsfaktor bei Großprojekten des Tunnelbaus

1 Einleitung

2 Der Weg zum Projekterfolg

3 Partnerschaft und Kooperation

4 Zum Beitrag der Ingenieure

5 Die Projektleiter

6 Die Fachexperten

7 Die Spezialisten der Bauwirtschaft

8 Das Team des Cost-Engineerings

9 Voraussetzungen für eine kosten- und termingerechte Projektabwicklung

10 Schlussbemerkung

11 Literatur

II Empfehlungen zur Ermittlung der Nutzungsdauer, der Einwirkungen und zur Bemessung von Tunnelbauten

1 Einleitung und Übersicht

2 Empfehlungen zur Festlegung der Nutzungsdauer und der Teilsicherheitsbeiwerte

3 Ermittlung von Einwirkungen aus dem Gebirge

4 Ermittlung des Ausbauwiderstandes

5 Hilfsmittel zur Analyse des Ausbauwiderstandes

6 Bemessung von Tunnelschalen

7 Inspektion und Überwachung

8 Optimierung des Lebenszyklus und Zusammenfassung

9 Literatur

III Geologisch-geotechnischer Planungsprozess von Tunnelbauten mit Schwerpunkt tiefliegender Tunnel

1 Einleitung und Übersicht

2 Projektphasen der Tunnelplanung und deren spezifische Ziele

3 Bestehende Regelwerke zur geomechanischen Planung

4 Die Trassenwahl als ein Meilenstein im geologisch-geotechnischen Planungsprozess

5 Geologisch-geotechnische Planung als Grundlage für die Wahl der Vortriebsmethode

6 Geotechnische Modellbildung und Parameterwahl

7 Schlussfolgerungen

8 Literatur

IV Auswahl der Tunnelvortriebsmethode – Dynamisches Entscheidungsmodell

1 Einleitung und Zielsetzung

2 Einteilung der Tunnelvortriebsmethoden

3 Von einem Entscheidungsproblem über einen Entscheidungsprozess zu einem Entscheidungsmodell

4 Das dynamische Entscheidungsmodell

5 Mehrwerte des dynamischen Entscheidungsmodells

6 Zusammenfassung und Ausblick

7 Literatur

V Der zyklische Vortrieb von der Planung bis zur Ausführung – ein zusammenfassender Überblick

Kurzfassung

1 Einleitung

2 Planung

3 Konstruktionsmethoden

4 Geotechnische Vermessung

5 Bauvertrag

6 Organisation der Projektdurchführung

7 Weiterführende Literatur

VI Tunnelbau im Schildvortrieb – Verfahrenstechniken und Planungsgrundlagen

1 Einleitung

2 Einteilung der Tunnelvortriebsmaschinen

3 Planungsgrundlagen für Schildvortriebe im Lockergestein

4 Systemwahl Flüssigkeitsschild (Hydroschild) – Erddruckschild (EPB)

5 Literatur

VII Numerische Simulation im Tunnelbau

1 Einleitug

2 Numerische Simulationsmethoden im Tunnelbau

3 Vom geotechnischen Modell zur Finite-Elemente-Diskretisierung von Berechnungsabschnitten

4 Konstitutivmodelle für Böden

5 Numerische Vortriebssimulationen im konventionellen Tunnelbau

6 Numerische Vortriebssimulationen im maschinellen Tunnelbau

7 Numerische Modellierung von Bodenvereisung im Rahmen des Tunnelbaus

8 Inverse Bestimmung von Modellparametern für numerische Analysen im Tunnelbau

9 Berücksichtigung von unscharfen Daten

10 Literatur

VIII Fertigteile im Tunnelbau

1 Einleitung

2 Tübbingfertigteile

3 Stahlbetonvortriebsrohre

4 Literatur

IX Spritzbeton im Tunnelbau

1 Einführung und Definition

2 Regelwerke und Ausbildung

3 Geschichte des Spritzbetons im Tunnelbau

4 Ausgangsstoffe

5 Spritzverfahren

6 Mischung/Mischgut

7 Fertigmischungen

8 Auftrag

9 Anforderungen, Eigenschaften, Klassifizierung, Maßnahmen

10 Spritzbeton-Anwendungen

11 Berechnung

12 Qualitätssicherung

13 Prüfungen und Prüfverfahren

14 Vertragsbestimmungen

15 Arbeitssicherheitsaspekte bei Spritzbetonarbeiten

16 Spezielle Einsatzzwecke im Tunnelbau

17 Ausblick

18 Literatur

X Spezielle Anforderungen an Beton im Tunnelbau

1 Einleitung

2 Aktuelle Regelwerke

3 Grundsätzliche Anforderungen an Tunnelauskleidungen

4 Bergmännische Bauweise

5 Offene Bauweise – Tunnelschalen

6 Maschineller Schildvortrieb – Tübbings

7 Ringspaltmörtel

8 Literatur

XI Tunnelausbruch – wertvoller mineralischer Rohstoff

Kurzfassung

1 Einleitung

2 Geologisch-geotechnische Rahmenbedingungen

3 Analysen zur Nutzbarmachung von Tunnelausbruchmaterial

4 Prinzipielle Verwendungsmöglichkeiten und Anforderungen an Ausbruchmaterial als mineralischer Rohstoff

5 Verwendung von Tunnelausbruchmaterial – von der Planung bis zur Ausführung

6 Umweltauswirkungen

7 Rechtliche Rahmenbedingungen

8 Literatur

XII Nachhaltigkeit im Tunnelbau

1 Grundlagen und Definitionen

2 Bewertungskriterien nachhaltiger Tunnelbauwerke

3 Bewertung der Nachhaltigkeit mit multikriteriellen Entscheidungsstrategien

4 Schlussfolgerungen/Zusammenfassung

5 Literatur

XIII Kooperative Zusammenarbeit im Tunnelbau

1 Einleitung

2 Praxisbeispiel vom Bau des Channel Tunnel

3 Charakteristische Unterschiede zwischen technischen und sozialen Systemen

4 Steuerung der Kooperation

5 Schlussfolgerung

6 Literatur

XIV Abdichtungen bei unterirdischen Bauwerken

1 Einleitung

2 Planungsgrundlagen

3 Begriffe

4 Auswahlkriterien und Anwendungsgrenzen der verschiedenen Abdichtungssysteme

5 Abdichtung mit Kunststoffbahnen

6 Abdichtung mit WU-Beton

7 Durchdringungen und Übergangskonstruktionen

8 Zusammenfassung

9 Literatur

XV Schall- und Erschütterungsschutz beim Schienenverkehr

1 Einführung

2 Grundlagen von Schwingungen und Schall

3 Umgang mit Pegelwerten

4 Quellen

5 Prognose

6 Bewertung

7 Maßnahmen

8 Literatur

2

XVI Beton

1 Einführung und Definition

2 Ausgangsstoffe

3 Frischbeton und Nachbehandlung

4 Junger Beton

5 Lastunabhängige Verformungen

6 Festigkeit und Verformung von Festbeton

7 Dauerhaftigkeit

8 Selbstverdichtender Beton

9 Sichtbeton

10 Leichtbeton

11 Faserbeton

12 Ultrahochfester Beton

13 Nachhaltiger Beton

14 Normative Entwicklung

15 Literatur

XVII Gründungen im Hoch- und Ingenieurbau

1 Einleitung

2 Grundlagen

3 Flach- und Flächengründungen

4 Tiefgründungen

5 Kombinierte Pfahl-Plattengründung

6 Sondergründungen

7 Literatur

XVIII Baugruben

1 Grundlagen

2 Baugrubenkonstruktionen

3 Erddruck

4 Nicht gestützte, im Boden eingespannte Baugrubenwände

5 Einmal gestützte Baugrubenwände

6 Mehrmals gestützte Baugrubenwände

7 Bettungsmodulverfahren

8 Finite-Elemente-Methode

9 Gleichgewichtsbedingungen

10 Nachweis der Gebrauchstauglichkeit

11 Verankerte Baugrubenwände

12 Bewegungsarme Baugrubenwände neben Bauwerken

13 Baugruben im Wasser

14 Baugruben in weichen Böden

15 Baugruben bei Erbebenbeanspruchungen

16 Literatur

XIX Normen und Regelwerke

1 Einleitung

2 Technische Regeln zu den Einwirkungen auf Tragwerke

3 Technische Regeln zur Geotechnik

4 Listen und Verzeichnisse

5 Literatur

Stichwortverzeichnis

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Hinweis des Verlages

Die Recherche zum Beton-Kalender ab Jahrgang 1980 steht

im Internet zur Verfügung unter www.ernst-und-sohn.de

Titel: City-Tower, Offenbach am Main

Zeichnung/Foto: Institut und Versuchsanstalt für Geotechnik der TU Darmstadt

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

© 2014 Wilhelm Ernst & Sohn, Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Rotherstr. 21, 10245 Berlin, Germany

Alle Rechte, insbesondere die der Übersetzung in andere Sprachen, Vorbehalten. Kein Teil dieses Buches darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Fotokopie, Mikrofilm oder irgendein anderes Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsmaschinen, verwendbare Sprache übertragen oder übersetzt werden.

All rights reserved (including those of translation into other languages). No part of this book may be reproduced in any form – by photoprint, microfilm, or any other means – nor transmitted or translated into a machine language without written permission from the publisher.

Die Wiedergabe von Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder sonstigen Kennzeichen in diesem Buch berechtigt nicht zu der Annahme, dass diese von jedermann frei benutzt werden dürfen. Vielmehr kann es sich auch dann um eingetragene Warenzeichen oder sonstige gesetzlich geschützte Kennzeichen handeln, wenn sie als solche nicht eigens markiert sind.

ISBN 978-3-433-03051-6

Electronic version available. O-book ISBN 978-3-433-60335-2

ISSN 0170-4958

Vorwort

Der Beton-Kalender 2014 widmet sich den Themenschwerpunkten „Unterirdisches Bauen und „Geotechnik. Auch in diesen Spezialdisziplinen zeigt sich wieder eindrucksvoll die Kunst der Bauingenieure. Gerade bei der Abtragung großer Kräfte in das Erdreich mittels Gründungen und im Tunnelbau können die Tragmechanismen durch die Interaktion mit dem Baugrund ressourcenschonend gestaltet werden. Dabei finden auch vielfältige Formen von Trag- und Ausbauelementen aus Stahlbeton Anwendung. Zusammen mit den Beiträgen über die Nutzungsdauer von Tunnelbauten, die Verwendung von Tunnelausbruchmaterial, über Nachhaltigkeit und kooperative Zusammenarbeit sowie über den Erfolgsfaktor „Ingenieurleistung" bei komplexen Großprojekten ist dieser Beton-Kalender eine besondere Fundgrube für Praktiker und Wissenschaftler.

Georg Vavrovsky zeigt mit den „Ingenieurleistungen als Erfolgsfaktor" bei der Abwicklung von großen Tunnelbauprojekten die maßgebende Dimension der Ingenieurdisziplin und ihre gesellschaftliche Verantwortung auf. Die erfolgreiche Einhaltung von Kosten- und Terminrahmen sind sowohl bei kleinen als auch bei großen Projekten wesentliche Ziele, um das Vertrauen des Bauherrn, aber auch der Politik und der Gesellschaft, in das Können der Bauingenieure zu rechtfertigen. Neben dem Fachwissen ist das gegenseitige Vertrauen, das oft in mühevoller Kleinarbeit erarbeitet werden muss, entscheidend für den Erfolg eines Projektteams.

Konrad Bergmeister, Erich Saurer, Thomas Marcher und Sebastian Höser geben einen Überblick über die Nutzungsdauer, die Einwirkungen und die Bemessung von Tunnelbauten. Dabei wird auch auf die Wichtigkeit einer ganzheitlichen Betrachtung der technischen Lebensdauer unter Einbeziehung der Überwachung und Erhaltung von Tunnelbauwerken und deren Ausbauelementen hingewiesen. Ansätze zur Ermittlung des Ausbauwiderstandes sowie die Bemessung der Tunnelschalen werden ebenfalls vorgestellt.

Ulrich Burger, Ansgar Kirsch, Thomas Marcher und Chris Reinhold zeigen übersichtlich die geologisch-geotechnischen Planungsschritte für tiefliegende Tunnel auf. Die geotechnischen Parameter sind entscheidend für die Wahl der Tunnelbaumethode und die möglichen Vortriebsgeschwindigkeiten. Aus geologischer Sicht werden die Störzonen, die Grund- und Bergwasserzutritte sowie das Quellpotenzial als technische Ausschlusskriterien eingestuft.

Matthias Flora und Peter Teuscher präsentieren ein dynamisches Entscheidungsmodell, womit die Wahl der geeigneten Tunnelvortriebsmethode transparent und nachvollziehbar getroffen werden kann. Unter Einbeziehung von Fachleuten soll mit der Delphi-Methode die Entscheidung möglichst konsensuell erfolgen.

Robert Galler behandelt den zyklischen Vortrieb von der Planung bis zur Bauausführung. Nach einem informativen Überblick werden die Vorteile und Grenzen dieser konventionellen Vortriebsart aufgezeigt und durch Beispiele erläutert. Neben den Konstruktionsmethoden werden auch der primäre Ausbau und die gebräuchlichsten Baugrundverbesserungsmaßnahmen, wie Verpressen, Hochdruckinjektionen und die Gefrierverfahren sowie die geotechnischen Messverfahren, behandelt.

Markus Thewes beschreibt den neuesten Stand der Technik beim Schildvortrieb. Durch die außerge-wöhnlich große Vielseitigkeit können Verkehrstunnel mit Schildmaschinen bis zu 17,5 m Durchmesser unter stark wechselnden Baugrundbedingungen ausgebrochen werden. Im Beitrag werden die einzelnen Verfahrenstechniken in ihrer Funktionsweise beschrieben und die wesentlichen Planungsgrundlagen herausgearbeitet. Dabei werden auch geotechnische Kennwerte für den Einsatz von Schildmaschinen angegeben.

Günther Meschke und Mitarbeiter zeigen den aktuellen Stand des Wissens im Bereich der numerischen Simulation im Tunnelbau. Dabei werden die wesentlichen Zusammenhange der numerischen Mechanik und die Vielfalt der Modellierung mittels der Finite-Elemente-, der Finite-Differenzen-, der Diskrete-Elemente-, der Randelemente-Methode sowie der hybriden Methoden und der klassischen Balken-Feder-Modelle erklärt. Auch die 3-D-Modellierung des Baugrundes und die konstitutiven Modelle der Böden werden behandelt. Ein besonders innovatives Gebiet stellt die numerische Vortriebssimulation im maschinellen Tunnelbau dar.

Oliver Fischer, Tobias Nevrly und Gereon Behnen beschreiben in ihrem Beitrag die Fertigteile im Tunnelbau. Die Entwurfselemente und die funktionalen Anforderungen der Tübbings werden sowohl theoretisch als auch anhand von Beispielen aufgezeigt. Zusätzlich werden die Herstellung und Bemessung von Stahlbetonvortriebsrohren behandelt.

Wolfgang Kusterle, Christian Neumann, Max John, Johannes Jäger und Rudolf Röck fassen den Stand des aktuellen Wissens und der derzeitigen Betontechnologie für die Anwendung von Spritzbeton im Tunnelbau zusammen. Detailliert werden die Wirkungsweisen der Bindemittel, der Zusatzstoffe und der Zusatzmittel sowie der verschiedenen Faserarten beschrieben. Besonderes Augenmerk wird auf die Spritzverfahren und die damit zu erzielenden Eigenschaften des Spritzbetons gelegt. Auch werden die Grundlagen der Bemessung kurz aufgeführt und auf ein praktikables Qualitäts-sicherungssystem hingewiesen.

Rolf Breitenbücher geht auf die speziellen Anforderungen an den Baustoff Beton im Tunnelbau ein. Dabei werden neben einem Überblick vor allem die Innenschalenbetone behandelt und wertvolle Hinweise gegeben. Neben der Betonzusammensetzung werden die Verarbeitung und die Nachbehandlung beschrieben. Auch Betone für besondere Anwendungen sowie Ringspaltmörtel sind Gegenstand der Betrachtung.

Robert Galler und Klaus Voit behandeln den Tunnelausbruch und zeigen eindrucksvoll die Möglichkeiten der Verwertung als mineralischen Rohstoff auf. Detailliert werden die Ermittlung der Gesteinsparameter sowie die notwendigen Analysen zur Nutzbarmachung von Tunnelausbruchmaterial beschrieben. Der mechanischen Beanspruchung im Aufbereitungsprozess kommt eine besondere Bedeutung zu. Eine Fülle von Verwertungsmöglichkeiten wird aufgezeigt und eine Verordnung zur Regelung der Verwertung von Tunnelausbruch angeregt.

Stephen Engelhardt, Manfred Keuser und Jürgen Schwarz erläutern Möglichkeiten zur Bewertung der Nachhaltigkeit im Tunnelbau. Mit einem ganzheitlichen Ansatz werden die Aspekte der Nachhaltigkeit aufgezeigt und beispielhaft die ökologischen Auswirkungen unterschiedlicher Schutter- verfahren – Band- und Dumperförderung – bei einem Zugangsstollen des Brenner Basistunnels bewertet. Für die praktische Anwendung sollen die wesentlichen Einflussfaktoren identifiziert und die Nachhaltigkeitsbewertung über alle Prozessphasen von der Projektidee bis zum Ende der Nutzungsdauer des Bauwerks durchgeführt werden.

Walter Purrer weist auf die Notwendigkeit der kooperativen Zusammenarbeit im Tunnelbau hin. Der Fokus liegt auf der Steuerung sozialer Systeme und Prozesse. In einem Projektteam spielen das Beispiel der Vorgesetzten und die Kommunikation eine ganz wesentliche Rolle.

Alfred Haack und Dominik Kessler behandeln die Abdichtungen bei unterirdischen Bauwerken. Ausführlich werden die Planungsgrundlagen, die Auswahlkriterien und die Anwendungsgrenzen der verschiedenen Abdichtungssysteme besprochen.

Friedrich Krüger beschäftigt sich in seinem Beitrag mit dem Schall- und Erschütterungsschutz beim Schienenverkehr. Einführend werden die wichtigsten Grundlagen der Schall- und Schwingungstechnik erklärt, um dann die Schall- und Schwingungsquellen beim Schienenverkehr aufzuzeigen. Spezifisch werden die Methoden zur Bewertung von Schall- und Erschütterungsimmissionen und Maßnahmen zu deren Minderung oder Vermeidung beschrieben.

Im Teil 2 des Beton-Kalenders 2014 werden neben einem umfassenden Beitrag über Beton die Gründungen und die Baugruben behandelt.

Harald Müller und Udo Wiens haben das Kapitel Beton neu bearbeitet. Es werden der aktuelle Stand des Wissens in Forschung und Praxis dargestellt sowie spezifische Hinweise zu Normen und Richtlinien gegeben. Grundlegend werden die Zusammensetzung, Herstellung und Nachbehandlung der verschiedenen Betonarten sowie deren Einsatzbereiche beschrieben.

Rolf Katzenbach und Steffen Leppla stellen in ihrem umfassenden Beitrag über Gründungen im Hoch- und Ingenieurbau die Funktionsweisen und Rechenmodelle dieser wichtigen Tragelemente dar. Großer Wert wird auf die Ermittlung der Einwirkungen, die Bemessung und die konstruktive Ausbildung gelegt.

Achim Hettler und Theodoros Triantafyllidis erläutern aktuelles Wissen über Baugruben. Neben den Grundlagen für die Ermittlung der Einwirkungen aus Erddruck und für die Bemessung werden die Baugrubenkonstruktionen detailliert behandelt. Dabei sind das Bettungsmodulverfahren zur Berechnung der Verformungen genauso wie Finite-Elemente-Modelle Thema. Außerdem werden die Baugruben im Wasser und in weichen Böden behandelt.

Im Kapitel Normen und Regelwerke von Frank Fingerloos werden Erläuterungen zu den Grundlagen der Tragwerksplanung nach DIN EN 1990 und zu den Einwirkungen nach Eurocode 1 DIN EN 1991 aufbereitet. Einen zweiten Schwerpunkt im Beitrag stellt eine im Wesentlichen für Flachgründungen gekürzte Fassung des Eurocode 7 DIN EN 1997-1 „Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik mit den mitgeltenden Regelungen von DIN 1054 „Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau – Ergänzende Regelungen zu DIN EN 1997-1dar. Auch werden wieder tabellarisch sämtliche Baunormen und technischen Baubestimmungen für den Beton- und Stahlbetonbau zusammengestellt.

Der Beton-Kalender 2014 mit den Schwerpunktthemen „Unterirdisches Bauen und „Geotechnik zeichnet sich durch die besondere interdiszi-plinäre Breite der behandelten Themen aus. Solches Fachwissen findet man nicht im Internet, sondern kann in dieser gebündelten Form nur durch die Mitwirkung von hervorragenden Autoren aus Wissenschaft und Praxis geboten werden. Den Lesern wünschen wir beim Entdecken von neuem Wissen viel Freude und beim Umsetzen ein herzliches Glück auf!

Prof. Dipl.-Ing. DDr. Dr.-Ing. e.h.

Konrad Bergmeister, Wien

Dr.-Ing. Frank Fingerloos, Berlin

Prof. Dr.-Ing. Dr. h.c. mult.

Johann-Dietrich Wörner,

Darmstadt

September 2013

Anschriften

1

Autoren

Behnen, Gereon, Dipl.-Ing.

Büchting + Streit AG

Gunzenlehstraße 22

80689 München

Bergmeister, Konrad, Prof. Dipl.-Ing.

DDr. Dr.-Ing. e. h.

Ingenieurbüro Bergmeister

Peter-Jordan-Straße 113

1180 Wien

Österreich

Breitenbücher, Rolf, Prof. Dr.-Ing.

Ruhr-Universität Bochum

Lehrstuhl für Baustofftechnik

Universitätsstraße 150

44780 Bochum

Burger, Ulrich, Mag. MSc.

Brenner Basistunnel BBT SE

Geologie und Hydrogeologie

Amraser Straße 8

6020 Innsbruck

Österreich

Engelhardt, Stephan, Dipl.-Ing. (FH) M. Eng.

Universität der Bundeswehr München

Institut für Baubetrieb

Werner-Heisenberg-Weg 39

85577 Neubiberg

Fischer, Oliver, Univ.-Prof. Dr.-Ing.

Dipl.-Wirtsch.-Ing.

Technische Universität München

Lehrstuhl für Massivbau

Theresienstraße 90

80333 München

Flora, Matthias, Dipl.-Ing.

Universität Innsbruck

Institut für Konstruktion und

Materialwissenschaften

Arbeitsbereich für Baubetrieb, Bauwirtschaft

und Baumanagement

Technikerstraße 13

6020 Innsbruck

Österreich

Galler, Robert, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. mont.

Montanuniversität Leoben

Lehrstuhl für Subsurface Engineering – Geotechnik und Unterirdische Konstruktionen

Erzherzog Johann Straße 3

8700 Leoben

Österreich

Haack, Alfred, Prof. Dr.-Ing.

STUVA

Studiengesellschaft für unterirdische

Verkehrsanlagen e. V.

Mathias-Brüggen-Straße 41

50827 Köln

Höser, Sebastian, Dipl.-Ing.

ILF Beratende Ingenieure ZT GmbH

Abt. Geotechnik

Feldkreuzstraße 3

6063 Rum bei Innsbruck

Österreich

Jäger, Johannes, Dr.

Alpine BeMo Tunnelling

Technisches Büro

Bernhard-Höfel-Straße 11

6020 Innsbruck

Österreich

John, Max, Dipl.-Ing. Dr. techn.

John Tunnel Consult ZTG

General-Feurstein-Straße 11

6020 Innsbruck

Österreich

Kessler, Dominik, Dipl.-Ing.

STUVAtec GmbH

Mathias-Brüggen-Straße 41

50827 Köln

Keuser, Manfred, Univ.-Prof. Dr.-Ing.

Universität der Bundeswehr München

Institut für Konstruktiven Ingenieurbau

Werner-Heisenberg-Weg 39

85579 Neubiberg

Kirsch, Ansgar, Dipl.-Ing. Dr. techn.

ILF Beratende Ingenieure ZT GmbH

Feldkreuzstraße 3

6063 Rum bei Innsbruck

Österreich

Krüger, Friedrich, Dr.-Ing.

STUVA

Studiengesellschaft für unterirdische

Verkehrsanlagen e. V.

Umweltschutz – Schall und Erschütterungen

Mathias-Brüggen-Straße 41

50827 Köln

Kusterle, Wolfgang, Prof. Dipl.-Ing.

Dr. techn. habil.

Ostbayerische Technische Hochschule

Regensburg

Fakultät Bauingenieurwesen

Prüfeninger Straße 58

93049 Regensburg

Marcher, Thomas, Dipl.-Ing. Dr.

ILF Beratende Ingenieure ZT GmbH

Feldkreuzstraße 3

6063 Rum bei Innsbruck

Österreich

Meschke, Günther, Univ.-Prof. Dr. techn.

Ruhr-Universität Bochum

Fakultät für Bau- und

Umweltingenieurwissenschaften

Lehrstuhl für Statik und Dynamik

Universitätsstraße 150

44801 Bochum

Neumann, Christian, Ing.

Salzbergstraße 62

6067 Absam/Tirol

Österreich

Nevrly, Tobias, Dipl.-Ing.

Technische Universität München

Lehrstuhl für Massivbau, N6

Theresienstraße 90

80333 München

Purrer, Walter, Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. mont.

Universität Innsbruck

Institut für Konstruktion und

Materialwissenschaften

Baubetrieb, Bauwirtschaft und

Baumanagement

Technikerstraße 13

6020 Innsbruck

Österreich

Reinhold, Chris, Dr.-Ing.

Brenner Basistunnel BBT SE

Geotechnik

Amraser Straße 8

6020 Innsbruck

Österreich

Röck, Rudolf, Dr.

Universität Innsbruck

Arbeitsbereich für Materialtechnologie

Technikerstraße 13

6020 Innsbruck

Österreich

Saurer, Erich, Dipl.-Ing. Dr. sc.

ILF Beratende Ingenieure ZT GmbH

Feldkreuzstraße 3

6063 Rum bei Innsbruck

Österreich

Schwarz, Jürgen, Univ.-Prof. Dr.-Ing.

Universität der Bundeswehr München

Institut für Baubetrieb

Werner-Heisenberg-Weg 39

85577 Neubiberg

Teuscher, Peter, Dipl.-Ing. SIA

tce Teuscher Peter GmbH

Consulting Engineer

Laubeggstraße 70

3006 Bern

Schweiz

Thewes, Markus, Prof. Dr.-Ing.

Ruhr-Universität Bochum

Lehrstuhl für Tunnelbau, Leitungsbau und

Baubetrieb

Universitätsstraße 150

44801 Bochum

Vavrovsky, Georg-Michael, Baurat h. c.

Dipl.-Ing. Dr. mont.

ÖBB-Infrastruktur AG

Geschäftsbereich Neu- und Ausbau

Praterstern 3

1020 Wien

Österreich

Voit, Klaus, MMMag.

Universität für Bodenkultur Wien

Institut für Konstruktiven Ingenieurbau

Peter-Jordan-Straße 82

1190 Wien

Österreich

Schriftleitung

Prof. Dipl.-Ing. DDr. Dr.-Ing. e.h.

Konrad Bergmeister

Universität für Bodenkultur Wien

Institut für Konstruktiven Ingenieurbau

Peter-Jordan-Straße 82, 1190 Wien

Dr.-Ing. Frank Fingerloos

Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein E.V.

Kurfürstenstraße 129, 10785 Berlin

Prof. Dr.-Ing. Dr. h. c. mult.

Johann-Dietrich Wörner

Technische Universität Darmstadt

Karolinenplatz 5, 64289 Darmstadt

Verlag

Ernst & Sohn

Verlag für Architektur und technische

Wissenschaften GmbH & Co. KG

Rotherstraße 21, 10245 Berlin

www.ernst-und-sohn.de

Beiträge früherer Jahrgänge (1990–2013)

Eine vollständige Liste ist im Internet unter www.ernst-und-sohn.de recherchierbar.

1

Ingenieurleistungen als Erfolgsfaktor bei Großprojekten des Tunnelbaus

Georg M. Vavrovsky

Empfehlungen zur Ermittlung der Nutzungsdauer, der Einwirkungen und zur Bemessung von Tunnelbauten

Konrad Bergmeister, Erich Saurer, Thomas Marcher, Sebastian Höser

Geologisch-geotechnischer Planungsprozess von Tunnelbauten mit Schwerpunkt tiefliegender Tunnel

Ulrich Burger, Ansgar Kirsch, Thomas Marcher, Chris Reinhold

Auswahl der Tunnelvortriebsmethode – Dynamisches Entscheidungsmodell

Matthias Flora, Peter Teuscher

Der zyklische Vortrieb von der Planung bis zur Ausführung – ein zusammenfassender Überblick

Robert Galler

Tunnelbau im Schildvortrieb – Verfahrenstechniken und Planungsgrundlagen

Markus Thewes

Numerische Simulation im Tunnelbau

Günther Meschke

Fertigteile im Tunnelbau

Oliver Fischer, Tobias Nevrly, Gereon Behnen

Spritzbeton im Tunnelbau

Wolfgang Kusterle, Johannes Jäger, Max John, Christian Neumann, Rudolf Röck

Spezielle Anforderungen an Beton im Tunnelbau

Rolf Breitenbücher

Tunnelausbruch – wertvoller mineralischer Rohstoff

Robert Galler, Klaus Voit

Nachhaltigkeit im Tunnelbau

Stephan Engelhardt, Manfred Keuser, Jürgen Schwarz

Kooperative Zusammenarbeit im Tunnelbau

Walter Purrer

Abdichtungen bei unterirdischen Bauwerken

Alfred Haack, Dominik Kessler

Schall- und Erschütterungsschutz beim Schienenverkehr

Friedrich Krüger

I Ingenieurleistungen als Erfolgsfaktor bei Großprojekten des Tunnelbaus

Georg M. Vavrovsky, Wien

1 Einleitung

Die Ansprüche unserer modernen Gesellschaft im Bereich der Mobilität, der Umwelt und des verantwortungsvollen Umgangs mit begrenzten Ressourcen stellen in ihrer komplexen Vernetzung eine noch nie dagewesene Herausforderung für die Gestaltung der Verkehrsinfrastruktur dar. In zunehmendem Umfang ist die Bewältigung der anstehenden Aufgaben nur mehr durch Errichtung großer und schwieriger Tunnelbauwerke möglich, die höchste Anforderungen an das Projektmanagement, an die Planung und an die Bauausführung stellen. Um eine erfolgreiche Abwicklung derartiger Ingenieurbauwerke gewährleisten zu können, ist eine schier unüberschaubare Vielzahl an Aspekten zu beachten und ausgewogen miteinander in Einklang zu bringen. Ein Austausch von Erfahrungen ist daher nicht nur lohnend, sondern auch Gebot der Stunde [1].

Im Dezember 2012 wurden in Österreich fast 100 km modernster Eisenbahn-Hochleistungsstrecken mit über 60% Tunnelanteil gemeinsam mit einem ersten Teil des neuen Wiener Hauptbahnhofs in Betrieb genommen. Dabei kam es weder zu spürbaren Termin- oder nennenswerten Kostenüberschreitungen noch zu medienwirksamen Unzulänglichkeiten. Und dies bei höchst komplexen Projekten mit einem Investitionsvolumen von fast 6,0 Mrd. Euro und Realisierungszeiträumen von bis zu zwanzig Jahren! Oberflächlich betrachtet wäre man fast geneigt, dies als Erfolg eines Unternehmens zu bewerten, das nun in Bewegung gekommen ist, als Erfolg also eines tüchtigen Managements. Ein Blick auf die Bühne und hinter die Kulissen des tatsächlichen Geschehens zeigt aber ein anderes Bild. Und daher möchte ich die Gelegenheit wahrnehmen, jene vor den Vorhang zu bitten, denen in Wahrheit der Applaus und die Anerkennung für ihre Leistungen gebührt [2]. Es sind all die beteiligten Ingenieure und damit meine ich natürlich auch unsere weiblichen Kolleginnen, jene in der Planung, in der Ausführung und auch jene in der Erhaltung und Betriebsführung, die mit ihrem profunden Wissen, mit ihrer oft grenzenlosen Begeisterung und ihrem unermüdlichen Engagement diese Erfolge ermöglicht haben. Sie alle, ob sie nun bei Gutachtern, in Planungsbüros, bei Baufirmen, in Unternehmen der Bahn- und Zulieferindustrie oder bei uns als Bauherrn tätig sind, sie alle möchte ich an dieser Stelle ins gebührende Scheinwerferlicht bitten. Denn ein Projekterfolg ist nicht in erster Linie der Erfolg des Managements, sondern in hohem Maße der Erfolg der Ingenieure, die das jeweilige Projekt gestaltet und vorangetrieben haben. Wie im Theater der Intendant lediglich die Voraussetzungen für künstlerisches Geschehen zu schaffen hat, so kann das Management höchstens geeignete Rahmenbedingungen zur Projektabwicklung sicherstellen. Dieser Beitrag mag zwar förderlich oder auch behindernd sein, für den Erfolg bestimmend ist er aber kaum. Denn der Erfolg einer Aufführung wird von der Qualität der Regie bestimmt, in unserem Fall von der Qualität des Projektmanagements und er wird geprägt und getragen sein von der Persönlichkeit und der Kunst ihrer Darsteller.

Die Bühne der Ingenieure sind ihre Projekte und ihre Bauwerke. Doch während in den Theatern zu Beginn der Vorstellung der Vorhang hochgezogen wird, verschanzen sich Ingenieure hinter den Bildschirmen ihrer Computer und hinter lärmund staubabweisenden Bauzäunen. Wir dürfen uns daher auch nicht wundern, dass öffentliches Staunen über die Kunst der Ingenieure vielfach dem schieren Unverständnis unserer Profession gegenüber anheimfällt. Umso wichtiger scheint mir daher zu sein, dass wir immer wieder hinausgehen in die Politik und die projektbeteiligte Öffentlichkeit, und uns dort verständlich machen, uns das Vertrauen erwerben und unseren Beitrag für die Zukunft unserer Gesellschaft erlebbar machen.

Ob des gebotenen Rahmens möchte ich mich in den gegenständlichen Ausführungen auf jenen Beitrag beschränken, den wir als Ingenieure auf Bauherrenseite zum Gelingen der Projekte zu leisten im Stande sind. Denn wenn auch die öffentliche Wahrnehmung vornehmlich von jenen Projekten geprägt ist, über die es Unzulänglichkeiten zu berichten gibt oder die im Widerstreit mächtiger Interessen stehen, so ist doch die überwiegende Mehrzahl an Investitionsvorhaben von hoher Professionalität in der Abwicklung gekennzeichnet.

2 Der Weg zum Projekterfolg

Angesichts der immer komplexer werdenden Rahmenbedingungen, gewinnt die Frage: Wie lassen sich Großprojekte heute überhaupt noch erfolgreich abwickeln? zunehmend an Relevanz. Es gibt in diesem Zusammenhang eine ganze Menge an brennenden Fragen, für die es aber kaum einfache Antworten gibt. Wir haben eine Fülle an lehrreichen Erfahrungen, und doch fehlt es an allgemeingültigen Empfehlungen. Warum dies so ist, ist meines Erachtens aber einfach zu beantworten. Denn man denkt heute gern in deterministischen Zielsystemen und klar steuerbaren Managementmodellen. Stellhebel, Kennzahlen und Maßnahmen dominieren heutiges Handeln, weniger die Werthaltung und das Verständnis für komplexe Zusammenhänge. Großprojekte der Infrastruktur sind nun aber höchst komplex, bergen eine Fülle an Unsicherheiten, Risiken und unplanbaren Überraschungen und entziehen sich daher dem Zugriff der heute tradierten Managementmethoden. Dies insbesondere dort, wo diese auf linienorientierte Produktion und nicht auf die Bewältigung komplexer Einzelprojekte ausgerichtet sind. Ganzheitliches, systemisches Denken, kontextorientiertes Steuern und eigenverantwortliches kybernetisches Handeln und Entscheiden sind die Codewörter, die es mit Inhalt zu füllen gilt, um den Faden im Labyrinth der Unsicherheiten, Überraschungen, der unplanbaren Einflüsse und Auswirkungen nicht zu verlieren [3]. Es geht uns hierbei wie den Höhlenforschern, die in den Tiefen des Berges auch nicht nach dem Tageslicht suchen, sondern den Faden fest in der Hand halten, der sie den richtigen Weg zum Licht hin finden lässt. In komplexen Situationen ist es nicht das von außen vorgegebene Ziel, wie z.B. zu früh festgelegte Termin- und Kostenvorgaben, sondern es ist einzig und allein der aus profunder Berufserfahrung und gelebter Werthaltung als zweckmäßig erachtete Weg, der uns die gestellte Aufgabe erfolgreich meistern lässt. Dieser Weg zum Erfolg wird aber stets aufs Neue zu finden und zu gestalten sein, da er von den konkreten Rahmenbedingungen und Umständen gesäumt und vorgezeichnet wird.

3 Partnerschaft und Kooperation

Eine von konstruktivem Vertrauen [4] geprägte Partnerschaft und Kooperation ist gerade im komplexen Tunnelbau einer der wichtigsten Faktoren für einen nachhaltigen Projekterfolg. Das Maß an Vertrauen zwischen den Vertragspartnern ist der entscheidende Parameter für die Qualität der Kooperation und damit auch der Schlüssel für erfolgreiche Projektoptimierungen. Mangelndes Vertrauen führt vielfach mit einer sich selbst verstärkenden Rückkoppelung zum Misserfolg aller Beteiligten. Vertrauen ist wie ein Investment in die Zukunft, der daraus gezogene Nutzen entspricht den Zinsen für das eingegangene Risiko. Auch hier gilt wie überall im Leben: Reich wird nicht derjenige, der mutlos und ängstlich agiert, sondern nur jener, der sein Vermögen klug und umsichtig investiert [5].

Lassen sie mich dies anhand der Kultur der Neuen Österreichischen Tunnelbaumethode (NÖT) näher erläutern. International als NATM bekannt, hat sie sich in den vergangenen fünf Jahrzehnten dank ihrer Flexibilität und Wirtschaftlichkeit in höchstem Maße bewehrt. Sie erfolgreich anzuwenden erfordert aber von allen Beteiligten – vom Bauherrn, seinen Planern, Gutachtern und Überwachungsorganen ebenso wie von den Baufirmen und deren Bauleitern bis hin zu den Mineuren – ein hohes Maß an technischer und sozialer Kompetenz. Die NATM lebt vom täglichen Miteinander, nicht vom Gegeneinander. Sie lebt vom Vertrauen, nicht vom positivistisch interpretierten Vertragswerk. Sie lebt vom Bewusstsein eines zwar geteilten, aber dennoch gemeinsam eingegangenen und gemeinsam zu bewaltigenden Risikos. Und sie lebt in letzter Konsequenz von der gegenseitigen Fairness, welche bei der Erkundung schon beginnt, in Planung und Ausschreibung ihren Niederschlag finden muss, vom Angebot aufgegriffen wird und in schwierigen Situationen ihre Bewährungsprobe zu bestehen hat. Wo immer diese Grundsätze ins Wanken geraten, wo sie den Eigeninteressen geopfert oder dem Unverstand anheimfallen, wird sich weder ein technischer noch ein wirtschaftlicher Erfolg einstellen können [6].

Diese Kultur der NATM, die in den ersten Jahrzehnten ihrer Anwendung sorgsam aufgebaut wurde, droht da und dort in Vergessenheit zu geraten. Wir sollten uns daher darauf besinnen, den Ingenieuren vor Ort, den Bauleitern der Firmen und den Leitern der Bauaufsicht des Bauherrn wieder vermehrt das Vertrauen zu schenken und ihnen die Kompetenz zu überlassen, vor Ort gemeinsam zu entscheiden, was nur vor Ort entschieden werden kann.

Das geteilte Risiko, bei welchem der Bauherr für den Baugrund, der Unternehmer für die technische Ausführung sowie die Sicherheit vor Ort und der Planer für die Standsicherheit des Bauwerks einzutreten hat, erfordert ein wohl austariertes Miteinander. Der Gedanke der strikten Sphärentrennung, welcher heute das Geschehen meist bestimmt, führt – wie sich immer wieder zeigte – häufig nicht zum Ziel. Die Aufgaben- und Verantwortungsfelder greifen im modernen Tunnelbau allzu komplex ineinander und sind einer technisch und juristisch klaren Abgrenzung vielfach nicht zugänglich. Daher kann es nicht primär darum gehen, möglichst viele Risiken auf den anderen zu schieben, um der eigenen Risikoübernahme zu entkommen. Wo immer dies dennoch geschieht, sei es durch zunehmende Delegation von Aufgaben, Outsourcing von Kernkompetenzen oder unfaire und unausgewogene Vertragsgestaltungen, wird dies nicht nur zu einer oft problematischen Zunahme der Projektbeteiligten führen, sondern stets auch negative wirtschaftliche Auswirkungen nach sich ziehen. Es ist vielmehr gemeinsame Aufgabe aller an der Planung und am Bau Beteiligten, die latenten Risiken rechtzeitig zu erkennen und deren Eintretens-Wahrscheinlichkeit sowie deren potenzielles Schadensausmaß in enger Zusammenarbeit wirkungsvoll zu minimieren.

4 Zum Beitrag der Ingenieure

Es sind auch die Ingenieure des Bauherrn, die den Weg der Partnerschaft und Kooperation gemeinsam mit den KollegInnen der extern beauftragten Unternehmen in Planung und Ausführung zu gehen haben. Sie haben vielfach beachtliche, wenn auch oft unterschätzte und zu wenig beachtete Leistungen als Grundlage des Projekterfolges zu erbringen.

Einige ausgewählte Leistungsbereiche möchte ich stellvertretend für viele andere gedanklich auf die Bühne bitten:

– zum einen die Projektierungen mit ihrem Projektleiter an der Spitze, dem im Rahmen einer interdisziplinären, ganzheitlichen Planung die Rolle eines Dirigenten zukommt,

– zum zweiten die Fachingenieure, die in den vielfältigsten Bereichen die externen Ingenieurleistungen betreuen und mit ihrer Expertise die Projektteams nachhaltig und wirkungsvoll verstärken,

– ferner die Kolleginnen und Kollegen des Beschaffungswesens für Bau- und geistige Dienstleistungen, denen eine ganz besondere Bedeutung im Rahmen einer erfolgreichen und kooperativen Projektabwicklung zukommt,

– und last but not least das Team des Cost-Engineerings, das sich gemeinsam mit den Projektteams um eine effiziente sowie kosten- und terminstabile Projektabwicklung bemüht.

5 Die Projektleiter

Lassen sie mich mit den Projektleitern – mit unseren Dirigenten – beginnen. Ihnen ist jeweils ein Team von Mitarbeitern und Fachexperten zur Seite gestellt, welches ich hier mit einem Orchester vergleichen möchte. So wie es für dieses gilt, sich eine Partitur mit all ihren unterschiedlichen Stimmen und Instrumenten gemeinsam zu erarbeiten, so gilt es für das Projektteam, sich im Zuge der Planung mit all den fachlichen und inhaltlichen Facetten eines Projektes vertraut zu machen. Es gilt, das Projekt mit seiner Struktur und seinem inneren Wirkungsgefüge, mit all seinen Anforderungen und Auswirkungen kennenzulernen und Unbekanntes zunehmend zu Bekanntem heranreifen zu lassen. Es ist dies ein Weg, der bei Großprojekten im öffentlichen Raum oft viele Jahre in Anspruch nehmen kann, der Geduld erfordert und der begleitet ist von zahlreichen Risiken und unvorhersehbaren Überraschungen.

Der Projektleiter trägt wie der Dirigent die Gesamtverantwortung für das Gelingen des Werks. Doch die Aufgabe ist hier wie dort nicht die des Beherrschens und Durchgreifens, sondern jene des Unterstützens, des Zusammenführens und des Taktgebens. Was im nüchternen Management-Jargon als matrixförmige Projektorganisation bezeichnet wird, in welcher Projekt- und Fachverantwortung ausgewogen ineinandergreifen, ist in einem Konzert das virtuose Zusammenspiel zwischen Dirigent und Orchester. Wer je diese faszinierende Symbiose im Konzertsaal erlebt hat, der weiß worum es geht, wenn es gilt, die Qualität des gemeinsamen Werkes vor die Rolle und die Interessen der eigenen Person zu stellen. Matrixorganisation wirklich zu leben ist intellektuell sicher herausfordernd, denn es gibt nur ein Miteinander, das manches Mal auch mühevoll erarbeitet werden muss. Da sich der Projektleiter in dieser Organisationsform nicht über die fachliche Verantwortung seiner Experten hinwegsetzen kann, egal welche Begründung er dafür auch immer ins Treffen führen mag, ist er gezwungen, sich mit all den Aspekten einer interdisziplinären Planung auf gleicher Augenhöhe mit seinen Teammitgliedern auseinanderzusetzen. Ergebnis eines derart ganzheitlich angelegten Führungsstils ist aber ein dicht gewebtes Netzwerk aus Erkenntnissen und Vorgehensweisen, mit deren Hilfe das Projektmanagement letztlich in die Lage versetzt wird, die vielfältigsten Anforderungen miteinander verknüpfen und in Einklang bringen zu können. Im komplexen Umfeld ist eine ganzheitliche Führung wohl eine der wesentlichsten Voraussetzungen für einen nachhaltigen Projekterfolg.

Sicherlich, dieses Modell erfordert, um auch effizient zu sein, im Eskalationsfall eine fachlich kompetente und entscheidungsstarke Rückfallebene im übergeordneten Management. Es erfordert aber vor allem Projektleiter mit hoher Integrität und Persönlichkeit sowie mit breitgestreutem Ingenieurwissen und tieffundiertem Menschenverstand. Es ist daher vor allem den Projektleitern zu danken, wenn es ihnen gelungen ist, aus einer Vielzahl von Einzelkünstlern ein Orchester zu formen, das sich zum Wohlklang eines nachhaltigen Projekterfolgs zusammengefunden hat.

6 Die Fachexperten

Dies führt uns zu einer weiteren Gruppe von Ingenieuren, deren Leistungen sich das Rampenlicht verdienen. Es sind die Fachingenieure, insbesondere auch jene des Tunnelbaus, also die Geologen, Geotechniker und Planungsexperten, die in den Projektteams für ihr jeweiliges Gewerk fachliche Verantwortung tragen. Sie bilden gleichsam das Orchester, ohne welches ein Werk nicht aufzuführen wäre, ohne welches Projektmanagement auch nicht funktionieren würde. Sie bestimmen den Klang, die Qualität und die Wirkung. Ob diese Bestand haben wird oder nicht, liegt letztlich in ihrer Hand. Sie sind innerhalb des Projektes für das gesamte Beschaffungswesen der von ihnen betreuten fachspezifischen Dienstleistungen zuständig. Ihnen obliegt in ihrem jeweiligen Gewerk sämtliche Abstimmung, Koordination und Beratung über alle Phasen des Projekts. Sie machen Vorgaben, betreuen Planungen wie Ausschreibungen und sind verantwortlich für die fachspezifischen Leistungsabnahmen. Und letztlich sind sie maßgeblich eingebunden in das Termin-, Kosten- und Risikocontrolling, in dem sie ihren Bereich zu betreuen und zu vertreten haben.

Die fachliche Kompetenz eines Bauherrn ist somit geprägt vom Knowhow und der Berufserfahrung seiner im Projektteam wirkenden Experten und Ingenieure. Sie sind es, die die Instrumente spielen und damit Nachhaltigkeit, Qualität und Wirtschaftlichkeit entscheidend beeinflussen. Denn das Ergebnis von Planungen und Bauabwicklungen kann niemals losgelöst von der Kompetenz des Bauherrn und Auftraggebers gesehen werden. Es ist seine Sache, der Qualität und Wirtschaftlichkeit im Zuge der Planung, der Ausschreibung und des Wettbewerbes eine Chance zu geben und es ist ebenso seine Sache, während der Leistungserbringung dafür Sorge zu tragen, dass sich Qualität und Wirtschaftlichkeit entwickeln und entfalten kann. Das mit einem Orchester vergleichbare interdisziplinäre Zusammenspiel von Ingenieuren unterschiedlichster Fachausrichtung unter einer fachkundigen und entscheidungsfreudigen Leitung ist wohl der wesentlichste Beitrag, den ein Bauherr zum Gelingen eines Projektes zu leisten im Stande ist. Fachkompetenz und Kooperationsvermögen im Team sind – wohl wenig überraschend – auch hier die entscheidenden Erfolgsfaktoren. Zu danken bleibt daher all jenen Fachexperten, die sich der Herausforderung ihrer Aufgaben mit vollem Engagement und großer Begeisterung stellen. Im Konzertsaal würde der Dirigent jetzt wohl das gesamte Orchester ersuchen, sich von ihren Stühlen zu erheben.

7 Die Spezialisten der Bauwirtschaft

Eine Gruppe von Ingenieuren, die in der heutigen Zeit eines zunehmenden Wettbewerbsdruckes gerade auch im Tunnelbau immer wichtiger und für eine kooperative und erfolgreiche Bauabwicklung immer bedeutender wird, sind die Experten auf dem Gebiet der Bauwirtschaft. Denn ihrem Geschick ist es vielfach anheimgestellt, für faire und ausgewogene Verträge auch dort Sorge zu tragen, wo das Prinzip der strikten Sphärentrennung aufgrund eines geteilten und dennoch gemeinsam zu tragenden Risikos auf operative Grenzen stößt. Dazu kommt der Umstand, dass Angebote heute zunehmend deutliche Spuren der Verwundung aus einem zum Kampf entarteten Wettbewerb aufweisen. Angebote gleichen daher oftmals eher einem hingeworfenen Fehdehandschuh als einem Handschlag zur kooperativen Partnerschaft. Die Folge sind Claims in einem erstaunlichen und manchmal kaum mehr nachvollziehbaren Ausmaß. Jahrzehntelang waren derartige Claims vornehmlich Gegenstand langwieriger baurechtlicher, meist schiedsgerichtlicher Auseinandersetzungen mit all ihren negativen Folgen auf ein gedeihliches Baugeschehen. Oftmals führte dies auch zu unbefriedigenden und schwer nachvollziehbaren Kompromisslösungen, um die Angelegenheit endlich zu Ende zu bringen. Heute aber hat sich weitgehend die Erkenntnis durchgesetzt, dass es in den meisten Fällen um rein bauwirtschaftliche Fragestellungen geht, die es daher auch mit den fachlichen Instrumenten einer bauwirtschaftlichen Prüfung und Bewertung zu lösen gilt. Die Aufgabe ist dabei herauszufinden, was den Unternehmen berechtigterweise zusteht und andererseits begründet und nachvollziehbar abzuweisen, was trotz der zahlreichen Gutachten, die oft vorgelegt werden, keine Basis im zugrunde liegenden Bauvertrag findet. Dies setzt natürlich ein hohes bauwirtschaftliches Expertenwissen voraus, welches stets auch gepaart sein muss mit entsprechender Integrität und Entscheidungskompetenz. Ein Anspruch, der an den legendären Investmanager Warren Buffet erinnert, der einmal sagte: „In looking for people to hire, you look for three qualities: Integrity, intelligence and energy. If you don’t have the first, the other two will kill you. Oder mit anderen Worten: „Wenn sie nicht die richtigen Leute mit einem entsprechenden Integritätsanspruch in den maßgebenden Positionen haben, können sie alles andere vergessen. Dieser Feststellung ist nichts hinzuzufügen und doch gewinnt sie umso mehr an Gewicht, wenn man das Claimvolumen und die daraus erwachsende Brisanz möglicher Fehleinschätzungen zum Maßstab nimmt. Bauprozesse mögen manches Mal unvermeidbar sein, doch als Fluchtweg aus der Verantwortung einer Entscheidung sind sie meist unwirtschaftlich und daher kontraproduktiv. Der Beitrag eines professionellen Claimmanagements fuir eine erfolgreiche und wirtschaftliche Projektabwicklung ist daher heute gar nicht hoch genug einzuschätzen und verdient es daher, an dieser Stelle gesondert erwähnt und hervorgehoben zu werden.

8 Das Team des Cost-Engineerings

Einen letzten Bereich von Ingenieurleistungen möchte ich auf die Bühne bitten, dem die gebührliche Wahrnehmung auch unter erfahrenen Ingenieurkollegen zu Unrecht häufig verwehrt bleibt. Sie tragen die Bezeichnung eines „Cost-Engineers", man könnte sie aber ebenso gut als Projekt- bzw. als Gesamtcontroller bezeichnen. Ihnen ist die Überwachung der Termine, Kosten und Risiken auf Ebene eines Projekts bzw. auf Ebene des Gesamtportfolios überantwortet. Um deren Leistungen überhaupt greifbar zu machen, sei erwähnt, dass die valorisierungsbereinigte Gesamtabweichung der Kosten nach Berücksichtigung von Zusatzbestellungen für sämtliche dem Geschäftsbereich Neu- und Ausbau der ÖBB Infra zum Bau übertragenen Projekte im Zeitraum seit 2004 unter einem Prozent lag; und dies für ein betroffenes Projektvolumen von 15,4 Mrd. Euro.

Sie werden sich fragen, wie dies insbesondere bei den komplexen Tunnelbauvorhaben, die zu betreuen waren, überhaupt möglich war und ich darf Ihnen auf diese Frage im nachfolgenden Abschnitt auch eine Antwort geben. Aber vorerst ist es mir ein Anliegen, die Bedeutung dieser Ingenieurleistung für den gemeinsamen Projekterfolg zu würdigen. Es steht außer Frage, dass eine derartige Leistung viele Väter hat, eine professionelle Projektabwicklung, die langjährige Erfahrung im Umgang mit Kosten, hochentwickelte Managementtools, exzellente Führung und Schulung und vieles andere mehr. Doch die Bedeutung derartiger Ergebnisse für ein Projektteam, für das Unternehmen, ja auch für die gesamte Verkehrspolitik ist gar nicht hoch genug einzuschätzen. Denn heute wird vielerorts kaum mehr die tatsächliche Qualität und Nachhaltigkeit beurteilt, sondern nur mehr die Einhaltung von Terminen und Kosten. Diese sind relativ einfach messbar, so wie auch die Einhaltung von vorgegebenen Einsparungszielen relativ einfach zu verfolgen ist. Dem Geist unserer Zeit entsprechend werden daher derartige Kriterien oft zu den auschlaggebenden Kriterien für die Zumessung von Erfolg oder Misserfolg hochstilisiert. Der echte Projekterfolg hingegen müsste zweifelsohne ganzheitlich betrachtet werden, und dazu würde das gesamte gesellschaftliche Umfeld mit all seinen Ansprüchen und Erwartungen ebenso gehören wie die Erhaltungsund Nutzerfreundlichkeit und letztlich auch die Dauerhaftigkeit und Nachhaltigkeit der investierten Anlage. Die verengte Sicht unterstreicht jedoch die Bedeutung, die der Kosten- und Termintreue zur Erlangung des Vertrauens des Bestellers, der Organe und Aktionäre sowie der Politik und Gesellschaft zukommt. Und daher sind gerade jene Kolleginnen und Kollegen des Cost-Engineerings, die mit hohem Sach- und Ingenieurverstand die Grundlagen für dieses Vertrauen in oft mühevoller Kleinarbeit aufbereiten und transparent machen, für ein erfolgreiches Projektteam von ausschlaggebender Bedeutung.

9 Voraussetzungen für eine kosten- und termingerechte Projektabwicklung

Das Thema der Kosten- und Terminstabilität eignet sich hervorragend, um exemplarisch aufzuzeigen, dass es in einem komplexen Umfeld stets ganzheitlicher Vorgehensweisen bedarf, um den gestellten Ansprüchen auch gerecht werden zu können. So sehr es oft wünschenswert wäre, die Dinge so einfach wie möglich zu gestalten, so gilt doch die Erkenntnis des Kybernetikers William Ross Ashby, wenn er sinngemäß feststellt: „Um überhaupt wirkungsvoll steuern zu können, muss die Varietät eines Steuerungssystems mindestens ebenso groß sein, wie die Varietät möglicher Einflüsse und Störungen".

Deterministische Modelle mit den üblichen „Maßnahme-Ergebnis"-Beziehungen sind hier zum Scheitern verurteilt. Erforderlich ist in einem solchen Kontext eine wertorientierte Kultur des Denkens und Handelns, welche sämtliche Einflüsse und Wirkungsbeziehungen umfassend mit einschließt. Es bedarf somit einer Fülle an Voraussetzungen und Vorgehensweisen, um überhaupt die Chance einer kosten- und terminstabilen Abwicklung von Großprojekten wahren zu können. Einige der wichtigsten Voraussetzungen möchte ich im Folgenden auflisten, wobei sich jeder Anspruch auf Vollständigkeit aufgrund der Komplexität erübrigt.

– Inhalt, Umfang und Realisierungsbedingungen eines Projektes werden frühzeitig auf Basis einer fundierten Projektentwicklung und geeignet aufbereiteter Projektunterlagen (u.a. Projektbeschreibung, Baugrunderkundung etc.) möglichst genau festgelegt und beschrieben.

– Seitens der Projektauftraggeber bzw. Projektpromotoren (z.B. Politik und Interessensträger) werden keine unrealistischen Zielvorgaben für Projektkosten, Einsparungspotenziale und Realisierungstermine vorgegeben. Die wahrscheinlichsten Projektgesamtkosten und Termine ergeben sich allein aus dem Bestellumfang und werden vom Projektmanagement in Eigenverantwortung auf sachlicher Basis ermittelt.

– Die Funktion als Bauherr wird einem in organisatorischer Hinsicht hinreichend geeigneten Projektmanagement übertragen, welches über entsprechend praxiserprobte Managementtools (Systeme, Prozesse, etc.) verfügt. Dem Grad der Komplexität des Projektes wird durch zweckmäßige Führungsstrukturen sowie durch geeignete Organisations- und Steuerungsmodelle Rechnung getragen.

– Dem ganzheitlich agierenden Projektmanagement werden sämtliche mit der Aufgabe verbundenen Verantwortlichkeiten und Kompetenzen übertragen (Kongruenzprinzip). Einschränkende Vorgaben und Schnittstellen werden weitgehend vermieden. Das Projektmanagement in seiner Rolle als Bauherr ist somit in der Lage, alle relevanten Teilbereiche des Projektes (Technik, Wirtschaft, Recht, Kommunikation etc.) direkt zu steuern. Die Aufgaben und Verantwortlichkeiten innerhalb des Projektmanagements sind klar zugeteilt und geregelt.

– Die aus der Kompetenzübertragung resultierende Projektautonomie (insbesondere auch im Bereich der Ressourcen-, Organisationsund Methodenkompetenz) bleibt über alle Phasen eines Projektes vollumfänglich gewährleistet.

– Das Projektmanagement verfügt zu jeder Zeit über die erforderlichen Führungs- und Fachkompetenzen sowie über die entsprechenden praktischen Erfahrungen zur sachgerechten Bewältigung der Projektaufgabe.

– Die Projektziele (Kosten, Termine, Qualität) werden unter Berücksichtigung aller relevanten Aspekte ganzheitlich definiert und dem jeweils fortschreitenden Kenntnisstand entsprechend sachgerecht angepasst. Sie werden in allen Phasen der Projektrealisierung jeglichen Einzelzielen und Interessen vorangestellt und übergeordnet.

– Das Projektmanagement ist jederzeit in der Lage, die aktuelle Planungstiefe sowie die darauf basierenden Kosten, den aktuellen Projektkenntnisstand, die latenten Risiken und vorhandenen Chancen qualifiziert einschätzen zu können.

– Das Projektmanagement verfügt über die erforderlichen Managementtools und über entsprechend fachlich qualifizierte Personalressourcen im Bereich des Cost-Engineerings, um Kostenermittlungen unter Berücksichtigung der Basiskosten, der Wertanpassung und Gleitung, der Risikovorsorgen, Bestelländerungen, Einsparungspotenziale und Vorausvalorisierung auf das Bauende für alle relevanten Kostenelemente erstellen und laufend fortschreiben zu können.

– Eine professionelle, ganzheitlich agierende Projektabwicklung sowohl in der Planung als auch in der Bauphase stellt sicher, dass durch ständiges Optimieren aller Vorgänge und Abläufe die eingeschätzten Basiskosten und Risikovorsorgen nicht überschritten, die angepeilten Einsparungspotenziale umgesetzt und Mehrkosten infolge vermeidbarer Unzulänglichkeiten hintangehalten werden.

Eine mangelnde Erfüllung auch nur einiger dieser Anforderungen reduziert stets die Wahrscheinlichkeit, eine kosten- und termingerechte Projektabwicklung gewährleisten zu können. Je einschränkender sich Schnittstellen und externe Einflüsse, insbesondere aus dem Unternehmen selbst, auf das Projektmanagement auswirken, desto größer ist auch ihr Anteil am erhöhten Risiko größerer Abweichungen. Die Verteilung von Verantwortlichkeiten ändert daran in Wahrheit nichts.

10 Schlussbemerkung

Ich habe versucht in meinem Beitrag die Rolle von Ingenieurleistungen als wesentlichen Erfolgsfaktor bei Eisenbahnprojekten im Allgemeinen und bei Tunnelbauprojekten im Besonderen anhand einigerLeistungsbereiche des Bauherrn zu beleuchten. Ich bin mir aber bewusst, dass dies nur ein kleiner Ausschnitt aus der Fülle an Leistungen sein kann, die für das Gelingen solcher Projekte erforderlich sind. Ich denke dabei an die Leistungen der Planungsbüros, der Gutachter, der Behörden, der Baufirmen, der Zuliefererbetriebe, an den großen Bereich der Bahnindustrie, aber auch an die vielen Experten anderer Fakultäten und Wissenschaften, ohne deren massive Unterstützung Großprojekte heute nicht mehr errichtet werden könnten.

11 Literatur

[1] Ostermann, N.; Wehr, H.; Werner, H.: 25 Jahre Planung und Bau von Eisenbahn-Hochleistungsstrecken. Technische Universität Wien; Januar 2013.

[2] Vavrovsky, G. M.: Ingenieurleistungen als Erfolgsfaktor bei Eisenbahnprojekten – Ein Beitrag zur Rolle des Bauherrn, Eisenbahntechnische Rundschau (ETR). 62. Jahrgang, Heft 6, Juni 2013.

[3] Vavrovsky, G. M.: Systemische Krise am Bau? Festrede zum Betontag, ÖBV, April 2012.

[4] Luhmann, N.: Vertrauen-Ein Mechanismus der Reduktion sozialer Komplexitäten. 4. Auflage, Lucius & Lucius 2000.

[5] Pöchhacker, H.: Herausforderungen aktueller Großbaustellen – Innovation und Kreativität zur Projektoptimierung im Tunnelbau, Key note am Tunneltag 2012, Geomechanik und Tunnelbau Heft 6/2012.

[6] Vavrovsky, G. M.: Wo liegen die Grenzen der NÖT? Arbeitsgruppe Tunnelbau; 1. D-A-CH Treffen in München 1986, Tunnel 3/87.

II Empfehlungen zur Ermittlung der Nutzungsdauer, der Einwirkungen und zur Bemessung von Tunnelbauten

Konrad Bergmeister, Wien

Erich Saurer, Rum bei Innsbruck

Thomas Marcher, Rum bei Innsbruck

Sebastian Höser, Rum bei Innsbruck

1 Einleitung und Übersicht

Beim Bau und Betrieb von Tunnelbauwerken für Verkehrswege hat der Bauherr gleichzeitig einer großen Anzahl von Ansprüchen gerecht zu werden. Einer dieser Ansprüche ist es, ein den technischen Bedürfnissen entsprechendes Bauwerk zu erstellen, welches möglichst große Flexibilität im Betrieb bietet. Dies steht jedoch in einem Wechselspiel mit den Gesamtkosten der Investition dieser Infrastruktur. Das angestrebte Ziel muss es daher sein, die über den Lebenszyklus des Bauwerks anfallenden Gesamtkosten zu optimieren, welche nebst den Kapitalkosten der Investition auch die Kosten infolge Betriebseinschrankungen sowie die Kosten der Inspektion, Überwachung und Erhaltung berücksichtigt.

Um diesen Ansprüchen zu genügen, ist es sinnvoll, bereits während der Planung von Infrastrukturprojekten, wie Tunnelbauwerken, diese Interaktion in den Anforderungen bei der Bemessung und in der konstruktiven Durchbildung zu berücksichtigen.

Im vorliegenden Beitrag werden im ersten Teil (Abschn. 2 bis 6) einige Empfehlungen für die Bemessung tiefliegender Tunnel dargestellt:

Dies beinhaltet zu Beginn Empfehlungen zur Festlegung der Nutzungsdauer und der Teilsicherheitsbeiwerte von Tunneln sowie zur Analyse und Modellierung der Interaktion zwischen Gebirge und Bauwerk (Abschn. 2) und zur Ermittlung von Einwirkungen aus dem Gebirge (Abschn. 3), welche langfristig auf die Tunnelschale wirken. Anschließend werden einige Empfehlungen zur Ermittlung und des Ausbauwiderstandes (Abschn. 4) gegeben. Abschnitt 5 behandelt einige Hilfsmittel zur Analyse des Ausbruchswiderstandes. Darauf folgt die Erläuterung der gebräuchlichen Verfahren für die Bemessung von Tunnelschalen (Abschn. 6).

Im Abschnitt 7 werden die Inspektion und Überwachung von Tunnelbauwerken neu beleuchtet. Darauf aufbauend werden im Abschnitt 8 Optimierung des Lebenszyklus und Zusammenfassung ein paar Empfehlungen zur Nutzungsanforderung sowie der planmäßig festgelegten technischen Lebensdauer des Bauwerks gebracht. Dabei gilt es die Wechselwirkung zwischen der in den Normen festgelegten Nutzungsdauer und den Gesamtkosten des Bauwerkes zu optimieren.

2 Empfehlungen zur Festlegung der Nutzungsdauer und der Teilsicherheitsbeiwerte

2.1 Nutzungsdauer und Lebenszyklus des Systems

Tunnelbauwerke versprechen durch ihre im Normalfall relativ konstante Einwirkung und den großteils definierbaren Umweltbedingungen eine lange technische Lebensdauer. Die Beurteilung erfolgt, wie bei anderen Ingenieurkonstruktionen auch, durch die Grenzzustände der Tragsicherheit und der Gebrauchstauglichkeit sowie der Dauerhaftigkeit. Die Bewertung der Sicherheit erfolgt auf der Grundlage der Eurocodes und/oder der nationalen Normen durch die Festlegung eines Sicherheitsindex β für die verschiedenen Grenzzustände der Bemessung (z.B. Tragfähigkeit: Pf < 10–6/Jahr; Gebrauchstauglichkeit Pf < 10–3/Jahr). Die Nutzungsdauer bzw. die technische Lebensdauer hängt entscheidend von der regelmäßigen und sachgemäßen Unterhaltung bzw. der Überwachung und der periodischen Instandhaltung ab [2].

Die Nutzungsdauer für einen Tunnel oder ein anderes Bauwerk ist der Zeitabschnitt von der Inbetriebnahme bis zur Außerbetriebnahme. während dieser Zeit muss das Bauwerk die an es gestellten Anforderungen auf einem bestimmten Sicherheitsniveau erfüllen [5].

Die technische Lebensdauer tt umfasst die Zeitspanne zwischen dem abgeschlossenen Bau bzw. der fertigen Produktion und dem Abbruch oder dem Nutzungsende.

Zur gesamten Lebensdauer tlt muss noch die Planungsphase dazugezählt werden, die ganz wesentlich die Erhaltungszyklen und damit die Nutzungsdauer beeinflusst [1].

(1)

(2)

In den Normen werden die Bemessungsgrößen vielfach auf die Nutzungsdauer bezogen. So wird auch im Abschnitt 2.1 der EN 1990 (Basis of structural design) festgehalten, dass ein Tragwerk während der Nutzungsdauer mit angemessener Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit den Einwirkungen standhalten muss.

Tabelle 1. Nutzungsdauer von Bauwerken und zugeordnete Schadensfolgeklassen (nach Eurocode 1990:2002)

Die Nutzungsdauer von Bauwerken oder Bauteilen kann auf der Grundlage des Eurocode EN 1990:2002, Tabelle 2.1 geplant werden (s. Tabelle 1).

Das Management und die Erhaltung von Tunnelbauwerken während der Nutzungsdauer hat auch eine wirtschaftliche Komponente. Die Lebenszykluskosten umfassen den gesamten Lebenszyklus, vom Entwurf, der Planung über die Herstellung, den Betrieb, die Inspektion, die ordentliche und außerordentliche Instandhaltung sowie die Ertüchtigung, den Abbruch und die Entsorgung.

Allgemein hängt die Zuverlässigkeit eines Tunnelsystems wesentlich von der Qualität der technischen Planung, der eingesetzten Baustoffe, der Bauausführung und von den Überwachungszyklen sowie von den Instandhaltungsperioden ab [3]. Hilfreich für die Festlegung der technischen Lebensdauer können die Zuverlässigkeits- und Überwachungsklassen nach EN 1990 sein. In Tabelle 2 wird für Tunnelbauwerke und deren Ausbau eine mögliche Festlegung vorgeschlagen.

Im Allgemeinen ist die technische Lebensdauer von Felshohlraumbauten aufgrund der konstanten

Bild 1. Schematische Darstellung der Lebenszykluskosten (aus [1])

Tabelle 2. Zuverlässigkeit und Überwachungs- bzw. Instandhaltungsintervalle

Einwirkungen über die Zeit größer als bei überschütteten Tunnelbauwerken in offener Bauweise. Bei unterirdischen Bauwerken in offener Bauweise geht man von einer technischen Lebensdauer bis zu 100 Jahren und bei Felshohlraumbauten bzw. Tunneln bis zu 150 Jahren oder bei sogenannten Schlüsselbauwerken von 200 Jahren aus [4].

In Bezug auf die verkehrstechnologische Ausstattung kann eine technische Lebensdauer von 10 bis 50 Jahren angenommen werden.

Allgemein kann man bei Tunneln und deren Ausrüstung von den in Tabelle 3 aufgeführten technischen Lebensdauern ausgehen.

Wichtig zur Erreichung einer bestimmten Qualität in der Planung und während der Herstellung eines Bauwerks sind daher die diesbezüglichen Maßnahmen. Deshalb stehen die Schadensfolgeklassen (CC1 bis CC5) mit den Überwachungsklassen der Planung (DSL1 bis DSL3), den Überwa chungsklassen der Herstellung (IL1 bis IL3) und den Zuverlässigkeitsklassen (RC1 bis RC3 gemaß Tabelle 2) in einem Zusammenhang (s. Bild 2). Bei der Festlegung der Lebenszyklen sollen daher die jeweiligen Klassen der Schadensfolgen und der Überwachung in Abhängigkeit von der Zuverlässigkeit berücksichtigt werden.

2.2 Teilsicherheitsbeiwerte des Materials

Für die bautechnische Bemessung der konstruktiven Betonbauteile werden die Teilsicherheitsbeiwerte unter Berücksichtigung der technischen Lebensdauer nachfolgend diskutiert. Ausgehend von den bekannten Teilsicherheitsbeiwerten nach Eurocode, die auf eine technische Lebensdauer von 50 Jahren abgestimmt sind, werden auch für eine längere technische Lebensdauer neue Werte ansatzweise angegeben.

Die Ermittlung des Bemessungswertes für die Materialfestigkeiten von Beton und Stahl erfolgt nach Eurocode 2 (s. EN 1992) mit folgenden Formeln Bei einer nichtlinearen Schnittgrößenermittlung, wie dies bei Tunnelschalen durchaus möglich ist (z.B. Kreuzungsbauwerke), kann ein globaler Teilsicherheitsbeiwert γR = 1,3 für die Widerstandsseite angesetzt werden [11].

Tabelle 3. Technische Lebensdauer von Tunnelanlagen

(3)

(4)

(5)

Nachdem im Tunnelbau auch Ausbruchmaterial für die Betonherstellung verwendet wird, wird auch dieser Fall berücksichtigt. Im Allgemeinen unterscheiden sich die geologischen und mechanischen Kenngrößen des Zuschlags aus Tunnelausbruchmaterial kaum von jenem aus Fluss- oder Bergschotter (s. auch in diesem Beton-Kalender Galler, Voit „Tunnelausbruch – wertvoller mineralischer Baustoff"). Aufgrund von noch ungenügendem Datenmaterial wird fur die Langzeitfestigkeit ein erhohter Abminderungsbeiwert vorgeschlagen, während der Teilsicherheitsbeiwert für die Betondruckfestigkeit beibehalten wird.

Bild 2. Abhängigkeiten der Zuverlässigkeits-, der Überwachungs und der Schadensfolgeklassen

Tabelle 4. Teilsicherheits- und Abminderungsbeiwerte für Langzeiteinwirkung von Beton und Bewehrungsstahl (nach EC2)

Zu beachten sind bei Tunnelbauwerken zudem das zeitabhängige Materialverhalten und die sich daraus ergebenden Konsequenzen. Dabei muss vor allem die Langzeitfestigkeit der Baustoffe in Betracht gezogen werden.

2.3 Teilsicherheitsbeiwerte der Einwirkungen

Auf der Einwirkungsseite werden die Gebirgslasten bzw. Eigenlasten und bei oberflächennahen Tunneln die veränderlichen Einwirkungen sowie die veränderlichen Einwirkungen von Fahrzeugen im Tunnel (aerodynamische Einwirkungen) mit entsprechenden Teilsicherheitsbeiwerten multipliziert.

(6)

2.4 Dauerhaftigkeit

Auch die Dauerhaftigkeit spielt bei Tunnelbauwerken eine wesentliche Rolle [17]. Dabei sind einerseits die Qualität der verwendeten Baustoffe und deren fachgerechte Verarbeitung, andererseits aber auch die Schutzbarrieren gegen äußere Einwirkungen aus der Umwelt relevante Einflussgrößen. Der Beton im Fahrbahnbereich ist auch dem Eindringen von Chloriden sowie sonstigen chemische Angriffen ausgesetzt. Die Innenschale wird sowohl durch Verschleiß und Abrasion sowie auch durch hohe Temperaturen (Brandfall) oder teilweise chemische Angriffe beansprucht. Der Beton im Portalbereich wird oberflächennah der Abnutzung und Abwitterung sowie Frost-Tau-Wechseln ausgesetzt. Die Außenschale von Tunnel steht in direktem Kontakt mit dem umgebenden Gebirge und daher auch mit dem Bergwasser (Sulfatgehalt beachten). Deshalb soll der Beton im Tunnelbau mit einer leistungsbezogenen Formulierung für die Tragfähigkeit (Festigkeit, Porosität usw.) und für die Anforderungen an die Dauerhaftigkeit ausgeschrieben werden. Dabei sollen Kriterien für das Ende der Nutzungsdauer festgelegt werden, weshalb sämtliche Parameter in Abhängigkeit der Zeit zu betrachten sind.

Vielfach werden auf die Betonoberflächen im portal- und fahrbahnnahen Bereich Hydrophobierun gen aufgebracht. Dabei ist von einer mittleren Lebensdauer von 10 bis 15 Jahren auszugehen [17]. Um ein bestimmtes Zuverlässigkeitsniveau zu gewahrleisten (für Dauerhaftigkeit z.B. Sicherheitsindex β > 1,5), sollen in regelmäßigen Abständen die Wirksamkeit der Hydrophobierung überprüft und gegebenenfalls erneuert werden. Im BetonKalender 2013 wurde ein detaillierter Beitrag über die „Lebensdauer von Stahlbetonbauteilen – Empfehlungen für eine modifizierte deskriptive Bemessung" von Gehlen und von Greve-Dierfeld veröffentlicht.

3 Ermittlung von Einwirkungen aus dem Gebirge

In diesem Abschnitt werden Empfehlungen zur Modellierung der Interaktion Gebirge–Bauwerk und die Ableitung der Gebirgslast auf das Bauwerk beschrieben [49].

3.1 Randbedingungen der Modellierung

In der Regel erfolgt die Ermittlung der Gebirgs-beanspruchungen und Gebirgslasten anhand von zweidimensionalen FEM-/FDM-Berechnungsmodellen. Besonderes Augenmerk gilt dabei der Berücksichtigung einer realitatsnahen Modellierung der Lastgeschichte sowie einer zeitabhängigen Modellierung der Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften der Ausbaumittel im Vortrieb. Dies bedingt auch, dass Bauabläufe und Bauzeiten (inklusive Vortriebsunterbrechungen) bei der Modellierung berücksichtigt werden.

Im Rahmen der Modellierung mittels numerischer Methoden sind bei Tunnelbauwerken einige Regeln zu beachten. Dabei sei auch auf den Beitrag „Numerische Modellierung im Tunnelbau" von Meschke et al. in diesem Beton-Kalender verwiesen.

Nachfolgend werden einige praktische Randbedingungen erörtert, welche möglicherweise durch projektspezifische Gegebenheiten erganzt werden müssen:

– möglichst genaue geometrische Abbildung von Gebirge und Bauwerk sowie deren Interaktion;

– Sensitivitätsuntersuchungen zur Prüfung der Netzgrößen- und ElementtypenAbhängigkeit (damit sollen auf der unsicheren Seite liegende Ergebnisse ausgeschlossen werden);

– möglichst realistische Darstellung der Spannungs- und Deformationszustände in jedem Bauzustand;

– Verifikation der Seitenverhältnisse der einzelnen Elemente, welche innerhalb der vom Programmhersteller empfohlenen zulässigen Bereiche liegen sollten;

– Netzadaptionen mit feinerer Netzteilung in Bereichen mit starken Geometrieänderungen, mit konzentrierten Lasten sowie veränderten Spannungs- oder Deformationszuständen.

Tabelle 5. Teilsicherheitsbeiwerte für Einwirkungen (nach EC1)

¹) für günstig wirkende veränderliche Lasten

Für die Modellierung und die Bemessung der Stützmittel sind u.a. folgende Ansätze möglich:

– numerische Modellierung im Kontinuum,

– analytische Berechnung im Kontinuum,

– analytische Trennflächenuntersuchungen,

– Bewertung der Einwirkungen und des reaktiven Ausbauwiderstandes mit dem Kennlinienverfahren,

– elastisch gebetteter Stabzug mit Verbund zum Gebirge,

– Bogen- oder Rahmentragwerk ohne Verbund zum Gebirge (Sonderfall z.B. Luftbogen).

Für die Modellierung von Bauwerksteilen (Spritzbeton, Anker, Stauchelemente, Tübbingringe, etc.) sind spezifische Elemente zu verwenden, welche das Materialverhalten und die Interaktion mit dem Gebirge realistisch abbilden können und die Möglichkeit bieten, die erforderlichen Ergebnisse (Schnittgrößen und Spannungen) mit ausreichender Genauigkeit zu berechnen.

In Abhängigkeit der Erfordernisse sind auch Staboder Kontinuumselemente, welche die Anforderungen erfüllen, zulässig.

3.2 Empfohlene Stoffgesetze für das Gebirge

Für die Ingenieurpraxis wurde eine strukturierte Vorgehensweise Für die numerische Modellierung unter Berücksichtigung des elasto-plastischen Gebirgsverhaltens mit relativ einfachen konstitutiven Modellen erarbeitet. Bild 3 gibt eine Übersicht der empfohlenen Stoffgesetze für das Gebirge.

Bild 3. Empfohlene FEM-Ansätze und Stoffgesetze bei Kontinuumsmodellierungen; hellgrau: verschmiertes Gebirgsverhalten, dunkelgrau: Gebirgsverhalten unter Berücksichtigung der Trennflächenanisotropie GSI: geological strength index; HB-M: Hoek-Brown Model; MC-M: Mohr-Coulomb Model

Für Sonderbereiche können zudem folgende Stoffgesetze bzw. Modellierungsansätze empfohlen werden [12, 13]:

– Klüfte: elastisches Gesteinsverhalten, anisotrop elastoplastisches Materialverhalten in Kluftrichtung,

– Störzonen: elastoplastische Kontinuumsmodellierung,

– diskrete Störung: Scherzonenmodellierung mit elastoplastischem Materialverhalten.

Bei der gemeinsamen Berücksichtigung von Gebirge und Klüften/Großklüften unter Berücksichtigung des resultierenden GSI empfiehlt sich somit die Modellierung gemäß dem in Bild 3 dargestellten hellgrauen Pfad, bei getrennter Modellierung dieser Elemente entsprechend gemäß dem dunkelgrauen Pfad.

In stark geklüftetem, trennflächendominierten Fels wird der Ansatz eines Diskontinuummodells zur Berücksichtigung der Diskontinuitäten empfohlen.

Üblicherweise wird in der Gebirgsmodellierung ein Hook-E-Modul verwendet. Beobachtungen zeigen, dass der E-Modul mit zunehmender Entfernung vom Hohlraumrand stark ansteigt [57].

In [39] wird aufgezeigt, dass numerische Berechnungen unter Zugrundelegung von Materialparametern aus dem Labor nicht mit den tatsächlich gemessenen geotechnischen Ergebnissen korrelieren und somit werden Für die jeweiligen Gebirgs-abschnitte tiefenabhängige E-Moduln eingeführt.

Die Berechnungen der E-Moduln in [39] erfolgt auf Basis von Triaxialversuchen [57] unter Verwendung folgender Gleichungen [57, 61]

(7)

mit

b = 15 + 60 e– 0,18σci

Derartige tiefenabhängige Modellierungen der E-Moduln sind Für tiefliegende Tunnelmodellierungen empfohlen.

3.3 Empfohlene Stoffgesetze für Stützmittel

Es wird empfohlen, die Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften des Ausbaus den einzelnen Bauzuständen und Bauphasen anzupassen und entsprechend differenziert zu modellieren.

Für die Modellierung des Spritzbetons wird angeraten, den zu Beginn weichen Spritzbeton mit einem ideellen Elastizitätsmodul von 5 GPa zu berücksichtigen. Mit zunehmender Aushärtung erhöht sich der Elastizitätsmodul des Materials auf rund 15 GPa. Dies entspricht ungefähr 50% der Steifigkeit eines ausgehärteten Betons üblicher Güte. Damit wird dem ausgeprägten Kriechverhalten und dem Schwinden des Spritzbetons Rechnung getragen (s. [25]). Eine weitere Erhöhung der Spritzbetonsteifigkeit erfolgt nicht.

Alternativ können zeitabhängige Materialmodelle verwendet werden (z.B. [58, 60]).

Zur Ermittlung der langfristig auf die Innenschale wirkenden Gebirgslasten soll der Ausfall der Spritzbeton-Außenschale berücksichtigt werden. Den Elementen in diesem Bereich können dafür die jeweiligen Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften einer verrotteten Außenschale zugewiesen werden. Im Modell ist dabei zusätzlich die temporäre Erstsicherung, wie z.B. die Systemankerung, bei der Modellierung der langfristigen Einwirkungen zu vernachlässigen.

Beim Tübbingausbau sind die Effekte infolge Kopplung in Ring- und Längsfugen zu berücksichtigen.

3.4 Berücksichtigung des Primärspannungszustandes, der Vorentspannung und von Verbesserungsmaßnahmen im Gebirge

Für die Berechnung des Primärspannungszustandes müssen die vertikalen und seitlichen Druckspannungen sowie deren Überlagerungen aus einem geologischen bzw. geotechnischen Modell entnommen werden.

Bei Tunneln mit großer Überlagerung können Für die Modellierung der Überlagerungsspannungen diese mit einem lokalen Netzausschnitt mit begrenzter Überlagerung und einer darüber liegenden „schweren Schicht" mit entsprechender Wichte abgebildet werden. Alternativ kann im Modell ein definierter Primärspannungszustand eingeprägt werden.

Allgemein gilt, dass die Verformungen an den Rändern des numerischen Modells beachtet und bei entsprechender Lithologie und bestimmten Bauzuständen auch begrenzt werden sollen. Dies kann beispielsweise durch die Einführung eines steifen Rahmens um den lokalen Gebirgsausschnitt erfolgen.

Die Vorentspannung bzw. die Vorentlastung des Gebirges vom Ausbruch bis zum Einbau der Spritzbetonschale und eventueller Messpunkte Für die Verformung sind unter Berücksichtigung des Gebirgsverhaltens, der Baumethode und der Bauabfolge zu ermitteln. Die Vorentspannung kann durch eine iterative Rückrechnung (beispielsweise nach Vlachopoulos und Diederichs [52]) bestimmt werden. Für eine analytische Abschatzung der Vorentspannung können die Ansätze von Kavvadas [28], Panet [33] oder Kielbassa und Duddeck [29] empföhlen werden. Diese Ansätze sind mit erfahrungsbasierten Überlegungen oder ingenieurtechnischen Einschätzungen des Gebirges bzw. des Verhaltens (beispielsweise zum plastischen Verhalten innerhalb der Vorverformung) zu ergänzen.

Bei der Festlegung des Vorentspannungsfaktors in Tunnelbereichen, welche in druckhaften Abschnitten liegen, ist der Einfluss der plastischen Vorverformung zu berücksichtigen. Dies kann entweder mit Erfahrungswerten oder durch die mittels Vorerkundung ermittelten Werte erfolgen.

Beim Ausbau mit Tübbings sind die Vorentspannung unter Berücksichtigung der Effekte infolge Überschneidmaß, Geometrie des Schildes und des Ringspaltes sowie des Zeitpunkts des Einbaus der Tübbings und die mechanischen Eigenschaften sowie die Gefügedichte des Hinterfüllmaterials zu bestimmen. Weitere Hinweise zur Bestimmung des Vorentlastungsfaktors beim Tübbingausbau können in [19] gefunden werden.

Das verbesserte Gebirgsverhalten kann in der numerischen Modellierung durch erhöhte Steifigkeits- und Festigkeits werte berücksichtigt werden. Dazu sollen auf der Grundlage von geotechnischen Versuchen die angepassten Gebirgsparameter ermittelt werden. Vereinfacht kann in Modellen auch ein Injektionsring mit definiertem Durchmesser benutzt werden, wobei höhere Steifigkeitswerte angesetzt werden können.

In Abhängigkeit der Komplexität des anstehenden Gebirges sind für die Berechnung von Ausbruch und Sicherung des Hohlraums entsprechend angepasste Methoden anzuwenden [56]. In besonderen geologischen Situationen oder bei komplexen Bauwerken kann es erforderlich werden, auf 3-dimensionale FEM-/FDM-Berechnungsmodelle zurückzugreifen.

3.5 Ermittlung der Gebirgslast

3.5.1 Allgemeines

Die Ermittlung der Gebirgslast [38] sowie die Ermittlung der Lastableitung von der Außen- auf die Innenschale erfolgt in Abhängigkeit des Gebirgsverhaltens:

– Bei spannungsdominiertem Gebirgsverhalten werden die Gebirgslasten durch die numerische Modellierung der Interaktion zwischen Gebirge und Ausbau ermittelt.

– Bei trennflächendominiertem Gebirgsverhalten wird die Gebirgslast mittels Blockanalyse ermittelt.

Zur Einschätzung des Gebirgsverhaltens und zur Differenzierung zwischen den beiden Gebirgsverhalten kann das Kennlinienverfahren angewandt und die Druckhaftigkeit nach Hoek [22] abgeschätzt werden.

Nachfolgend wird die Ermittlung der Gebirgslasten bei konventionellem Vortrieb und bei Vortrieb mit offener Gripper TBM und konventionellem Ausbau beschrieben.

3.5.2 Ermittlung der Gebirgslast bei spannungsdominiertem Gebirgsverhalten bei konventionellem Vortrieb

Bei einem spannungsdominierten Gebirgsverhalten sollen die Außen- und Innenschale in einem numerischen FEM/FDM-Modell gemeinsam abgebildet und die wirkenden Gebirgslasten auf die Außen- und Innenschale direkt simuliert werden. Die charakteristischen Schnittgrößen der Außenschale sollen unter Berücksichtigung sämtlicher Bauphasen unter Berücksichtigung der zeitabhangigen Eigenschaften des Ausbaus modelliert werden. Für die Modellierung der Außenschale soll ein Element verwendet werden, welches in jedem Bauzustand die direkte Ausgabe der Schnittgrößen des Ausbaus zur Weiterverwendung für die Bemessung erlaubt.

Die Ermittlung der Lasten auf die Innenschale erfolgt durch die Modellierung der Innenschale und dem nachfolgend modellierten Ausfall der Außenschale sowie dem Ausfall der Anker. Besonderes Augenmerk gilt in diesem Berechnungsschritt einer möglichst realitätsnahen Modellierung der Kontaktfläche zwischen der Außen- und der Innenschale. Insbesondere sind Steifigkeitseigenschaften der Trennschichten in der Kontaktfläche hinsichtlich des verformungsabhangigen radialen Bettungsverhaltens zu berücksichtigen (beispielsweise durch bi- oder trilineare Arbeitsansätze).

Die nach diesem Modellierungsschritt auf die Innenschale wirkenden charakteristischen Einwirkungen werden für die nachfolgende Ermittlung der Schnittgrößen der Innenschale herangezogen.

Da es in den meisten FEM-Programmen nicht möglich ist, alle Einwirkungen und somit alle Einwirkungskombinationen zu berücksichtigen, wird empföhlen, die Ermittlung der Schnittgrößen in der Innenschale in einem separaten Modell mittels gebetteten Stabmodellen durchzuführen.

Bei den numerisch ermittelten Normalspannungen (beispielsweise effektive Radialspannungen an der Schnittflache zwischen Außen- und Innenschale) auf die Innenschale handelt es sich um die Superposition von aktiver Gebirgslast und passiver Bettungsreaktion des Gebirges. Daher ist es erforderlich, aus dieser Superposition das für die im Stabmodell als effektive Gebirgslast anzusetzende Spannungsbild abzuleiten.

Bild 4. Qualitätive Darstellung der numerisch ermittelten Normalspannungen (links), der aktiven Gebirgslast (Mitte) und der passiven Bettungsreaktion (rechts)

Für die Gebirgslast im Firstbereich kann der gesamte Anteil der aus dem numerischen Modell herangezogenen vertikalen Normalspannung pv angesetzt werden. In horizontaler Richtung kann als erste Näherung der Wert ph = K0 · pv (s. Bild 9) verwendet werden.

Zur Prüfung der Richtigkeit der angesetzten effektiven Gebirgslast wird empfohlen, die im Stabmodell resultierende Superposition von Einwirkungen infolge aktiver Gebirgslast und der passiven Bettungsreaktion wiederum mit den aus dem zweidimensionalen Modell extrahierten numerischen Radialspannungen zu