Wo liegen die Probleme beim Bau des Fildertunnels? Über den Univortrag von Dr. Martin Wittke

Von dem insgesamt 19,8 Kilometer langen Fildertunnel sind fast zwei Jahre nach der Tunneltaufe mit 4,8 Kilometer rund ein Viertel aufgefahren; davon rund 4 Kilometer maschinell zum Bau der Oströhre des oberen Filderabschnitts zwischen Fasanenhof und Hoffeld. Seit 7. Juni läuft der maschinelle Vortrieb zum Bau der Weströhre dieses Tunnelabschnitts. Unterhalb des Kernerviertels wird seit Frühjahr 2015 am Verzweigungsbauwerk Süd gebaut, seit Februar 2016 auch zusätzlich an der Ost-Röhre des Fildertunnels Richtung Wendekaverne. Seit Mai 2016 sind die bergmännischen Vortriebsarbeiten zum Bau des mittleren Tunnelabschnitts unter Degerloch angelaufen. Die aktuellen Vortriebsstände mit den Grafiken der Projektgesellschaft finden Sie hier. Doch über die „Herausforderungen“ oder die Schwierigkeiten beim Bau dieses längsten Tunnels für Stuttgart 21 und des drittlängsten Bahntunnels Deutschlands schweigt sich die Bahn auch gegenüber den betroffenen Anwohnern weitgehend aus.

Daher möchten wir über den Vortrag von Dr.-Ing. Martin Wittke „Der Fildertunnnel des Bahnprojekts Stuttgart-Ulm, Planung und Bauausführung“ berichten, zu dem das geotechnische Institut der Universität Stuttgart am 25.April 2016 eingeladen hatte. Dr. Martin Wittke, nicht zu verwechseln mit seinem Vater Prof. Dr. Walter Wittke, ist Geschäftsführer der WBI GmbH. Als Tunnelbauspezialisten betreuen sie sowohl in der Planung als auch in der Bauausführung alle Tunnel von Stuttgart 21 und bis auf den Alb-Abstiegstunnel und den Albvorlandstunnel auch die der Neubaustrecke Stuttgart-Ulm.

Beim Bau der beiden jeweils 9,5 Kilometer langen Röhren des Fildertunnels sollen fast alle Schichten durchfahren werden, die im Stuttgarter Raum vorkommen (Grafik). Der Fildertunnel wird als einziger Tunnel bei Stuttgart 21 sowohl konventionell als auch mit der Tunnelvortriebsmaschine aufgefahren (Grafik). Seinen Vortrag, der einen groben Einblick in die Herausforderungen dieses Tunnelsbaus geben sollte, gliederte Dr. Wittke nach den drei durchfahrenden geologischen Schichten Lias, Stubensandstein und den Schichten des Gipskeupers. Wir haben diese Schichten der besseren Verständlichkeit jeweils den drei Abschnitten und des Anfahrbereichs des Fildertunnels zugeordnet und mit unseren Anmerkungen ergänzt.

Unser Fazit: Sein Vortrag vor Studenten und Fachleuten brachte für uns einige neue Erkenntnisse beim Bau des Fildertunnels in den verschiedenen Gesteinsformationen. Aber auch über die Schwierigkeiten beim Bau des oberen Fildertunnels und des westlichen Verzweigungsbauwerks, die die Bahn leider nicht transparent kommuniziert. Auch ließ Dr. Wittke kritische Punkte zur Arbeit seines Ingenieurbüros WBI als Sachverständige für den Tunnelbau unerwähnt.

Hier unsere Zusammenfassung des Vortrages. Die Fotos der meisten gezeigten Folien mit den Grafiken finden sie unter schaeferweltweit. Soweit sie für das bessere Verständnis sinnvoll sind, haben wir auf sie direkt verlinkt.

1. Maschineller Vortrieb des oberen Fildertunnels (Lias / Stubensandstein)
   

• Der Bau der beiden rund 4,035 Kilometer langen Röhren des oberen Fildertunnels erfolgt mit der Tunnelvortriebsmaschine. Die erste Schildfahrt zum Bau der Oströhre vom Filderportal bis nach Hoffeld startete Ende November 2014 und endete Ende Oktober 2015.
• Die Vortriebsmaschine durchfuhr in diesem Abschnitt die geologischen Schichten des Lias und des Stubensandstein.
• Es gibt bereits Erfahrungen mit Tunnelbauwerken in diesen Schichten (Grafik), beispielsweise die S-Bahn-Haltestellen Universität und Flughafen.

a) Lias

• Der Lias enthält Tonsteine sowie Kalk- und Sandstein in verschiedenen Wechselfolgen mit Klüften (Grafik). Innerhalb des Lias gibt es je nach dem Verhältnis der Zusammensetzung noch weitere Unterscheidungen (Lias alpha 1- 3) mit unterschiedlichen Härte und Durchlässigkeit. Die Festigkeit im Tonstein ist nach Dr. Wittke „nicht so berauschend“.
• Die Herausforderung im Lias sind erhöhte Horizontalspannungen im Tonstein, die als Vorlast noch aus den Zeiten herrühren als die schwäbische Alb auch im Stuttgarter Raum vorzufinden war (Grafik) und im Laufe der Zeit abgetragen wurde.
• Dies zeigte sich auch beim Bau der S-Bahnstation Universität. Damals hatte sich die Baugrube wegen der erhöhten Horizontalspannung deutlicher verformt als dies zu erwarten war. Es gab Verschiebung von bis zu 60mm in der Mitte der Baugrube und deutliche Sohlhebung. Die Spannungen mussten daher seitlich und unter die Baugrube umgeleitet werden. Durch die erhöhte Spannung  gab es eine Überschreitung der Festigkeit. Verschiebungen hatten mehrere hundert Meter gereicht.
• Durch das Rückrechnen dieser Bauwerke sollte für den Bau des Fildertunnels „gelernt“ werden. Nach den Erfahrungen gehen die Horizontalspannungen mit Verwitterung des Gesteins zurück.
• Auch bei der ersten Schildfahrt zum Bau des oberen Abschnitt des Fildertunnels traten gewisse Horizontalspannungen auf. Es gab horizontale Verschiebungen Richtung Tunnel. Dabei ergaben sich weniger Senkungen als Hebungen. Die Belastungen wurden bei der Bemessung des Fildertunnels berücksichtigt.
• Die ersten 143 Meter des Fildertunnels vom Filderportal aus wurden unter darüberliegenden Gasleitungen bergmännisch aufgefahren.
• Normalerweise ist der Tunnelbau mit einer Tunnelvortriebsmaschine gegenüber dem konventionellen Vortrieb relativ setzungsarm. Im Fels ist das laut Dr. Wittke nicht immer der Fall. Bei der Spritzbauweise erfolgt sofort Sicherung. Beim maschinellen Vortrieb wird die Ortsbrust zwar mit dem Einbau von Tübbingen gesichert. Doch es gab in diesem Fall einen Steuerspalt von 4,5 cm, der nicht gestützt war (Grafik). Der Fels hätte sich mit Auswirkungen bis auf die Geländeroberfläche aufsetzen können. Darüberliegende Gebäude wären beschädigt worden.
• Kritisch war nach Aussage von Dr. Wittke die Unterfahrung der Gebäude entlang der Schelmenwasenstraße am Fasanenhof, die nur in 16 Metern Tiefe erfolgte (Grafik). Zudem liegt die Tunnelröhre dort nahezu vollständig im Tonstein.
• Die Tonsteine haben jedoch eine sehr geringe Durchlässigkeit. Dies ermöglichte den Steuerspalt mit Druckluft bis zu 2 Bar zu stützen, um die Verschiebung möglichst klein halten (Grafik).
• Zu Beginn des maschinellen Vortriebs erfolgte keine Druckluftstützung. Dadurch ergaben sich unterhalb eines Waldstückes Senkungen bis 7 cm (Grafik). Mit Druckluftstützungen von 1 bis 2 bar konnten die Gebäude der Schelmenwasenstraße bis auf 1 bis 2mm Senkung schadlos unterfahren werden (Grafik).

b) Stubensandstein

• Der Stubensandstein besteht aus Sandstein mit Schlufsteinen als Horizonte. Die  Festigkeit und Korrosion ist günstiger als beim Lias. Allerdings liegen die Tunnelröhren bis zu 60 Meter unter dem Grundwasserspiegel. Es herrscht ein Wasserdruck von bis zu 6 bar.
• Über den Tunnelbau in diesen geologischen Schichten wollte Dr. Martin Wittke auch mit Blick auf die anwesenden Vertreter der Bahn nicht allzu viel erzählen.  Die Probleme deutete er jedoch an.
• Während zu Beginn der erste Schildfahrt in den Schichten des Lias, Knollenmerkel und den Schlufstein des Stubensandstein durchschnittlich 18 Meter Vortriebsleistung pro Tag erreicht wurde, gab es in den wasserführenden Schichten des Sandstein- /Schlufstein des Stubensandsteins ein auffälliges deutliches Abknicken der Vortriebsleistung. Täglich wurden nur noch 10 Meter pro Tag erreicht.
• Ursache für den Abfall waren Verklebungserscheinungen am Bohrkopf, die häufigere Werkzeugwechsel und damit Vortriebsunterbrechungen erforderlich machten wurden. Die durch den abgesandenden Stubensandstein verursachten Verklebung werden noch genauer untersucht.
• Dennoch erreichte die Tunnelvortriebsmaschine mit durchschnittlich 14 Metern pro Tag aus seiner Sicht eine „gute, akzeptable“ Leistung (Grafik).
• Anmerkung: Allerdings berücksichtigte er bei seiner Berechnung nicht den Zeitraum zwischen Anfang Dezember 2014 und Anfang Februar 2015, als die Maschine nur sehr „schwerfällig“ in Gang kam und der Vortrieb auch sofort wieder unterbrochen werden musste.  Die Stuttgarter Nachrichten führte dies auf fehlende Unterfahrungsrechte zurück. Die Ursache könnte jedoch auch aus der Druckluftstützung bei der knappen Unterfahrung der Gebäude an der Schelmenwasenstraße resultieren.

2. Bergmännischer Vortrieb des mittleren Fildertunnels (Übergang zum unausgelaugten, anhydrithaltigen Gipskeuper)

• Der jeweils 1,1 Kilometer lange Abschnitt der beiden Röhren des mittleren Fildertunnels wird bergmännisch aufgefahren. Die Unterbrechung des maschinellen Vortriebs ist wegen des Übergangs zum anhydrithaltigen Gipskeuper erforderlich.
• Mehr als die Hälfte aller Tunnel für Stuttgarter 21 liegt im ausgelaugten oder unausgelaugten Gipskeuper. Im unausgelaugten Zustand ist er einem kompakten Fels vergleichbar mit ähnlich geringen Wasserdurchlässigkeiten wie Tonstein. Im Falle eines Wasserzutritts verwandelt sich das darin gelagerte Anhydrit in quellenden Gips um. Wegen des Abtransport von Gips sind an der Auslaugungsfront häufig Hohlräume anzutreffen.
• Im unausgelaugten Gips ist der eingelagerte Anhydrit von Gips nicht mit bloßem Auge zu unterscheiden (Foto). Daher wird an der Universität täglich eine mineralogische Untersuchung vorgenommen.
• Bei Wasserzutritt quillt der Anhydrit mit einer bis zu 60%igen  Volumenzunahme. Bei vollständiger Umwandlung von Anhydrit zu Gips führt dies zu Drücken von bis zu 9 bis 10 Meganewton pro Quadratmeter. Im Labor wurden diese Werte erst nach 20 Jahren ereicht. Damit könnte man einen 400 Meter hohen Berg anheben. Im Falle des vom Quellen betroffenen Ortes Staufen waren es 60 bis 70 Meter.
• Im Mittel hat der Fels jedoch einen 30% Anhydritanteil. Damit reduziert sich die Zunahme auf 18% des Felsvolumens. Die entstehenden Drücke sind auch abhängig von der Menge des Wasserzutritts.
• Besonders problematisch sind die Tunnelbereiche in den Übergangszonen zwischen ausgelaugten in den Anhydrit, da der Wasserzugang über die Längsrichtung erfolgen kann (Grafik).
• Dagegen werden Abdichtungsbauwerke bestehende aus zwei hintereinander liegenden Dammringen gebaut, dem sogenannten „Gürtel und Hosenträger“-Prinzip. Diese Abdichtungsbauwerke kann man mit der Maschine nicht bauen. Für den Dammring wird ca. ein Meter tief in den Fels gefräst und diesen Ring durch Beton ersetzt.  Zusätzliche Injektionenbohrungen 4-6 Meter lang durch den Dammring sollen Auflockerungszonen, über die Wasser eintreten könnte, abdichten.  Zwischen den beiden Dammringen wird eine Kontrolldrainage gebaut, die einen Wasserzutritt melden würde (Grafik).
• Da die Spritzbetonschale nicht gegen Quelldruck bemessen sei, muss die Abdichtungsschale mit Dammringen möglichst schnell hergestellt werden.
• Zusätzliche Schwierigkeiten beim Tunnelbau im Anhydrit bringen Spannungsüberlagerung und Schubbeanspruchung bei den Trennflächen der geologischen Schichten mit sich. Leichte Unebenheiten bei Trennflächen können beim Tunnelbau zu einer Vergrößerung der Öffnungen der Trennflächen mit höherer Durchlässigkeit führen. Wasser kann über dadurch entstandene, wenn auch geringe  vertikale Durchlässigkeiten eindringen.
• Darauf müssen auch die Tunnelschale und die Bewehrung mit mit einem gewissen Quelldruck bemessen werden.
• Auf Nachfrage erklärte Dr. Wittke, dass die Lebensdauer der Tunnel und der Quelldruck auf einen Zeitraum von 100 Jahren bemessen sei.
• Anmerkung: Auch wenn es nicht den Fildertunnel an sich betrifft. Dr. Martin Wittke erwähnte in seinem Vortrag nicht, dass sein Ingenieurbüro 2015 für den Cannstatter und Feuerbacher Tunnel beim Bau im tiefliegenden Anhydrit ein zusätzliches 144 Millionen teures zusätzliches Verfahren zur Abdichtung gegen den Wassereintritt empfohlen hatte. Dabei hatte sein Vater, Prof. Dr. Walter Wittke, das bisherige Bauverfahren mit den Dammringen als Verfahren mit doppelter Sicherheit gegenüber kritischen Einwänden verteidigt. Das zusätzlich erforderliche Bauverfahren gibt den Kritikern recht, die wiederholt auf die Schwierigkeiten beim Tunnelbau im Anhydrit-Gestein hingewiesen hatten.

3. Maschineller Vortrieb des unteren Fildertunnels (im anhydrithaltigen unausgelaugten Gipskeuper)

• Über den geplanten Bau der beiden 3,63 Kilometer langen Röhren des unteren Fildertunnels zwischen Degerloch und der Wendekaverne auf Höhe der Gerokstraße durch den geologisch kritischen, quellfähigen Anhydrit mit maschinellem Vortrieb ging der Vortrag von Dr. Martin Wittke nicht ein.
• Auf die Frage des Geologen Dr. Hermann Behmel, wie beim maschinellen Vortrieb vertikale Durchlässigkeiten und ggf. Störungen vorausschauend erkannt werden könnten, wies Dr. Wittke auf die über dem Gipskeuper liegenden wasserabdichtenden Schichten des Schilfstandsteins hin. Sehr tiefliegende Auslaugungsfronten wie unter dem Killesberg gäbe es daher beim Fildertunnel nicht.

4. Bergmännischer Vortrieb im unteren Fildertunnels (ausgelaugter Gipskeuper)

a) Zum ausgelaugten Gipskeuper

• Die  Tunnel des Anfahrbereich und des Verzweigungsbauwerks Süd unterhalb des Kernerviertels und Teile der beiden ca. 300 Meter langen Tunnelröhren müssen im weichen Gestein des ausgelaugten Gipskeupers gebaut werden (Foto).
• Ausgelaugter Gipskeuper ist in den geologischen Karten gelb eingezeichnet. Es handelt sich dabei um Lockergestein, das je nach Grad der Auslaugung bzw. Verwitterung in vier Klassen eingeteilt wird: Klasse 1-3 als gut verdichter Kies und Klasse 4 als vollständig entfestigtes, bodenähnliches Gestein (Grafik). Auch am Wassergehalt kann man die Klassen festmachen.
• Im Übergangsbereich zwischen ausgelaugten und unausgelaugten Gipskeuper sind häufig Dolinen mit stark verwitterten Material zu finden. Daher wurde auch der Bauabschnitt vom maschinellen Vortrieb ausgespart.
• Als Sicherungsmaßnahmen im ausgelaugten Gipskeuper sind beim Tunnelbau der Einsatz von Rohrschirmen, die Sicherung der Ortsbrust, das Verkürzung der Abschlagslängen und die zeitliche Verkürzung des Sohlschlusses vorgesehen (Grafik).
• Für den Tunnelbau in diesem weichen Gestein wurden im Vorfeld von WBI relativ detaillierte Berechnungen für die Verformungsprognose durchgeführt.

b) Rettungszufahrt

• Fertig gestellt ist die 232 Meter lange Rettungszufahrt neben dem Wagenburgtunnel bis zum Verzweigungsbauwerk Süd unterhalb der Jugendherberge. Beim Bau der Rettungszufahrt haben sich nach Aussage von Dr. Wittke die Prognoserechnungen bestätigt. Es  traten Senkungen von 12-17mm ein, am First des Tunnels von 14-18mm (Folie).
• Anmerkung: Was Dr. Martin Wittke nicht erwähnte war, dass diese Rettungszufahrt im Vergleich zu den geplanten Tunneln sehr schmal ist. Trotz des geringen Querschnitts und wegen der geringen Unterfahrungstiefe sind Risse am Gebäude der Landeswasserversorgung enstanden.

c) Verzweigungsbauwerk

• Auch das Verzweigungsbauwerk unterhalb der Jugendherberge liegt im ausgelaugten Gipskeuper (gelb). Auf Höhe des Verzweigungsbauwerks beginnt der Übergang zum unausgelaugten (rosa), teilweise anhydrithaltigen (rot) Gipskeuper (Grafik).
• Beim Bau des Verzweigungsbauwerks seien ebenfalls nur die prognostizierten Senkungen eingetreten. Allerdings mit einer Ausnahme. Auf Höhe des westlichen Verzweigungsbauwerkes wurden auf der Geländeoberfläche der Werastraße (nicht bebaut) wegen einer Doline deutlich höhere Senkungen als geplant gemessen (Grafik).
• Von den sechs geplanten vom Verzweigungsbauwerk ausgehenden Tunnelröhren sind  die beiden Oströhren des Fildertunnels (802) und des Obertürkheimer Tunnels (902) in südlicher Richtung im Bau (Grafik).
• Anmerkung: Bis heute ist der Tunnelvortrieb der beiden Weströhren des Fildertunnels und des Obertürkheimer Tunnels, die vom südwestlichen Verzweigungsbauwerk aus gebaut werden sollen, entgegen der ursprünglichen Planung noch nicht angelaufen. Auf Nachfrage des Netzwerks Kernerviertel auf der letzten Infoveranstaltung für den Stuttgarter Osten erklärte Günther Osthoff als verantwortlicher Abschnittsleiter, dass der Tunnelvortrieb der Weströhre des Obertürkheimer Tunnels jetzt erst ab 2017 starten soll. Dabei wurden Eigentümer bereits im September 2015 wegen der Unterfahrungsrechte angeschrieben. Möglicherweise hängen die Bauverzögerungen mit der vorgefundenen Doline bzw. der schwierigen Geologie in diesem Bereich zusammen. Auch dass seit rund zwei Wochen entlang der Kernerstraße auf Höhe der Werastraße, also in unmittelbarer Nähe zum westlichen Verzweigungsbauwerk,  Messsonden in den Boden eingelassen und Gesteinsproben entnommen werden, könnte damit in Verbindung stehen. Das Netzwerk Kernerviertel wird hier noch nachhaken.

d) Wendekaverne

• Der Vortrag enthielt erstaunlicherweise nahezu keine Information über die fabrikhallen große Wendekaverne, die unterhalb der Gerokstraße gebaut werden soll.
• Lediglich, dass sich der Bereich, der mit der Tunnelvortriebsmaschine aufgefahren werden kann, möglicherweise in Abhängigkeit von der Geologie noch etwas verschieben könnte.
• Anmerkung: Dies würde die etwas merkwürdige Aussage von Abschnittsleiter Günther Osthoff auf der letzten Infoveranstaltung erklären, dass die Wendekaverne in dem Plan falsch eingezeichnet sei. Er wollte sich die genaue Lage der Wendekaverne wegen der Geologie offen halten. Doch dies sollte man transparent gegenüber den Betroffenen kommunizieren und nicht auf angeblich falsche Grafiken schieben.

e) Anfahrbereich Süd

• Unterhalb des Kriegsbergs und des Kernerviertels müssen die Gleise des Tiefbahnhofs zusammengeführt werden. Daher sind große Querschnitte in den beiden  Anfahrbereichen Nord und Süd vorgesehen, die bergmännisch aufgefahren werden sollen. Im Kernerviertel sind diese großen Querschnitte im weichen, ausgelaugten Gipskeuper unterhalb einer dichten städtischen Bebauung geplant (Grafik). Daher sind in diesem Bereich Hebungsinjektionen vorgesehen (Grafik). Die Vortriebsarbeiten vom Verzweigungsbauwerk für den Bau des Anfahrbereichs unter dem Kernerviertel sollen Anfang nächstes Jahr starten.
• Anmerkung: Dr. Martin Wittke erwähnte nicht in seinem Vortrag, dass nach der ursprünglichen von WBI empfohlenen Planung nur die Gebäude des unteren Kernerviertels an der Sänger- und Urbanstraße angehoben werden sollten. Noch in der von WBI ausgearbeiteten geotechnischen Stellungnahme der Bahn zum Planänderungsverfahren Grundwassermanagement vom März 2013 findet man die gutachterliche Einschätzung, dass in dem Anfahrbereich nach der Urbanstraße trotz des weichen Untergrunds und prognostizierten 4-5 cm Absenkung keine Hebungsinjektionen erforderlich sind. Jetzt sollen auch die weiter am Hang gelegenen überwiegend denkmalgeschützte Wohnhäuser bis hoch zum Schützenplatz angehoben werden. Wir hatten darüber berichtet. Dazu läuft aktuell ein Planänderungsverfahren, in dem das Eisenbahn-Bundesamt die betroffenen Eigentümer anhört.