12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 105 Tunnelbau im Schwarzjura - Erfahrungen bei den Vortrieben des Albvorlandtunnels Juan Duque-Barroso DB Projekt Stuttgart-Ulm GmbH, Stuttgart, Deutschland Tilman Sandner Boley Geotechnik - Beratende Ingenieure GmbH, München, Deutschland Jens Hallfeldt DB Projekt Stuttgart-Ulm GmbH, Stuttgart, Deutschland Zusammenfassung Beim Albvorlandtunnel handelt es sich um einen der längsten im Bau befindlichen Eisenbahntunnel Deutschlands. Er verläuft als Zweiröhrentunnel mit 8.176 m entlang der Neubaustrecke zwischen Wendlingen und Kirchheim unter Teck vollständig in der geologischen Formation des Schwarzjuras. In der gesamten Schichtfolge tritt das Mineral Pyrit auf, wodurch im Ausbruchmaterial eine Anreicherung mit Sulfat stattfinden kann. Um eine Verwertung des Materials in Baden-Württemberg dennoch zu ermöglichen, wurde mit den zuständigen Behörden ein Erlass erarbeitet. Darüber hinaus wiesen die Gesteine im Bereich des Albvorlandtunnels weitere geogene Besonderheiten auf, welche die Verwertung der Ausbruchmassen zur ständigen Herausforderung machten. Über den aktuellen Stand der Arbeiten als auch über die bei der Umsetzung gewonnenen Erfahrungen wird nachstehend berichtet. 1. Projektbeschreibung Die Neubaustrecke Wendlingen-Ulm ist Teil des Bahnprojektes Stuttgart-Ulm. Die rund 60 Kilometer lange Neubaustrecke verläuft zwischen Neckar und Donau etwa zur Hälfte in Tunneln. Einer dieser Tunnel ist der Albvorlandtunnel, der sich mit 8.176 m Länge zwischen Wendlingen am Neckar im Westen und Kirchheim unter Teck im Osten erstreckt. Er ist nach dem Boßlertunnel (8.806 m) der zweitlängste Tunnel der Neubaustrecke. Er verläuft in zwei Röhren vollständig in der geologischen Formation des Schwarzjuras. Der Albvorlandtunnel besteht aus zwei Baustelleneinrichtungsflächen. Eine im Westen, von der alle Spritzbetonvortriebe ausgehen, und eine im Osten, von der die TVM-Vortriebe starten (Abbildung 1). Neben den Erfahrungen beim Vortrieb im Schwarzjura mit maschinellem Tunnelvortrieb und Spritzbetonbauweise im Albvorlandtunnel wird insbesondere auf den Umgang mit dem Tunnelausbruchmaterial aufgrund der geogenen Vorbelastungen des Schwarzjuras und der nicht ausreichenden Entsorgungsmöglichkeiten in Baden-Württemberg eingegangen. Abbildung 1: Übersicht aller Tunnel 2. Geologische Formation „Schwarzjura“ Als Schwarzer Jura (200-178 Mya) wird in der Erdgeschichte die unterste der drei lithostratigraphischen Gruppen des Süddeutschen Jura (Weißer Jura, Brauner Jura, Schwarzer Jura) bezeichnet. Er ist erdgeschichtlich dem Mesozoikum zuzuordnen. Die Benennung erfolgte aufgrund der dunklen Verwitterungsfarben der Gesteine des Schwarzen Juras infolge des biologischen Abbaus 106 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Tunnelbau im Schwarzjura - Erfahrungen bei den Vortrieben des Albvorlandtunnels am Meeresboden des Jura-Meeres. Die Sedimentgesteine bestehen überwiegend aus dunklen Sandsteinen, Tonen, Mergeln und Kalken. Dominierend sind dabei verwitterungsempfindliche Ton- und Tonmergelsteine mit geringen Druckfestigkeiten und Verschleißhärten. Lediglich in den Schichten des Arietenkalkes (si1) sowie im Angulatensandstein (he2) treten mächtigere Kalkbzw. Sandsteinlagen mit hohen Festigkeiten bis 170 MPa auf. Die quarzitisch gebundenen Sandsteine weisen außerdem sehr hohe Verschleißhärten auf. Besonders zu erwähnen ist das Vorkommen des sulfidischen Minerals Pyrit (FeS2), welches auch Narrengold genannt wird. Es tritt sowohl fein verteilt als auch in großen Konkretionen auf. Je nach lokalen Ablagerungsbedingungen können die Gehalte stark schwanken. Praktisch alle Gesteine weisen außerdem geogene Hintergrundgehalte an diversen Bestimmungsparametern wie beispielsweise Arsen oder Nickel auf, die für die Entsorgung relevant sind. 3. Baustellenübersicht und anfallende Ausbruchsmassen Im Bereich Wendlingen befindet sich die Baustelleneinrichtung (BE) West (Abbildung 2). Abbildung 2: Baustelleneinrichtungsfläche West Von hier erfolgen die Spritzbetonvortriebe der beiden Röhren des Albvorlandtunnels (Nordröhre 134 m und Südröhre 16 m), der aus der Nordröhre abzweigenden Güterzuganbindung (GZA-Tunnel mit 196 m), der Autobahnunterquerung (GZA-BAB-Tunnels mit 173 m), der „Kleinen Wendlinger Kurve“ (494 m) und der aktuell noch in Planung befindlichen „Großen Wendlinger Kurve“ (ca. 760 m). Im Bereich der Gemarkung Dettingen bei Kirchheim unter Teck befindet sich die Baustelleneinrichtung (BE) Ost (Abbildung 3). Von hier aus werden mit zwei EPB-Tunnelvortriebsmaschinen gleichzeitig die beiden Hauptröhren des Albvorlandtunnels in Richtung Stuttgart aufgefahren. Abbildung 3: Baustelleneinrichtungsfläche Ost Der Südmaschine (WANDA, 7.978 Vortriebsmeter, Abbildung 4) startete am 27.10.2017, die Nordmaschine (Sybille, 7.674 Vortriebsmeter) startete am 04.12.2017. Abbildung 4: Die TVM „WANDA“ (Herrenknecht AG) Um die anzutreffenden Baugrundverhältnisse sowie die Anforderungen aus der Unterfahrung der A8 bewältigen zu können, wurden verschiedene Vortriebsklassen (VK) ausgeschrieben: VK1: Offener Modus mit teilgefüllter Abbaukammer VK2: Teilgefüllte Abbaukammer mit Druckluft VK3: Teilgefüllte Abbaukammer mit Konditionierung VK4: Vollständig gefüllter Abbaukammer VK4-BAB: Wie VK4, jedoch zwingend unter der BAB-A8 In der VK4 fahren die Maschinen im sogenannten EPB-Modus, wobei das Ausbruchmaterial an der Ortsbrust mit Schaum aus Wasser und Tensiden konditioniert werden muss. Aus den Voreinschnitten West und Ost fallen ca. 0,8 Mio. Tonnen Ausbruchmaterial an. Die gesamte anfallende Ausbruchsmasse aus den beiden Tunnelröhren der NBS beträgt ca. 3,6 Mio. Tonnen. Weitere 0,13 Mio. Tonnen fallen im KWK Tunnel und den zugehörigen Voreinschnitten an, ca. 0,1 Mio. Tonnen entfallen auf die Tunnel der GZA. Insgesamt gilt es damit ca. 4,8 Mio. Tonnen zu bewegen. Im Bereich Ost wird das Tunnelausbruchmaterial aus den Vortrieben über zwei Förderbänder zur Bereitstel- 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 107 Tunnelbau im Schwarzjura - Erfahrungen bei den Vortrieben des Albvorlandtunnels lungsfläche verbracht, wo bei Bedarf eine Aufbereitung durchgeführt wird. Die Fläche bietet Platz für ca. 90.000 Tonnen lose gelagertes Ausbruchmaterial. Im Bereich West wird das Ausbruchmaterial per Knickgelenkmulde aus den Vortrieben auf die Bereitstellungsfläche transportiert, wobei ca. 10.000 Tonnen zwischengelagert werden können. Das aus den Voreinschnitten und Vortrieben gewonnene Material wird auf den beiden Bereitstellungsflächen Ost und West gelagert, dort für die Abfalldeklaration beprobt und anschließend per LKW zum Bestimmungsort abtransportiert. Insgesamt wurden auf der Baustelle dabei Tagesmassen von bis zu 20.000 Tonnen bewegt. 4. Entsorgung und Sonderfall Pyrit Das Bodenverwertungs- und Entsorgungskonzept des Albvorlandtunnels sah die Entsorgung des Tunnelausbruchmaterials entsprechend der für Baden-Württemberg gültigen Verwaltungsvorschrift (VwV) [2] vor. Dabei wurden einige geogen erhöhte Parameter erfasst, jedoch keine Auswirkungen veränderlicher Minerale. Bei einer Nachbeprobung von Ausbruchmaterial des benachbarten Boßlertunnels waren erhöhte Sulfatgehalte festgestellt worden. Verantwortlich dafür war das Mineral Pyrit, welches nach Kontakt mit dem Luftsauerstoff oxidiert. Da der Schwarzjura im Bereich des Albvorlandtunnels ebenfalls Pyrit enthält, wurden umgehend Untersuchungen eingeleitet, um die Entsorgung der insgesamt ca. 4,8 Millionen Tonnen Ausbruch weiterhin sicherstellen zu können. Zunächst wurden im Bereich des Voreinschnittes Ost Testfelder angelegt, um eine mögliche Sulfatentwicklung im Ausbruchmaterial sichtbar zu machen. Dazu wurde Material der Bohrpfahlherstellung aus dem anstehenden Numismalismergel (Plinsbachium 1 und 2) in unterschiedlichen Konfigurationen eingebaut. Es zeigte sich ein deutlicher Anstieg der Gehalte an Sulfat im Eluat um das bis zu 4-fache auf 120 mg/ l innerhalb von 15 Wochen (Abbildung 5). Abbildung 5: Entwicklung der Sulfatgehalte in losem geschüttetem Haufwerk in unterschiedlicher Einbautiefe Dabei wurde eine signifikante Abhängigkeit von Einbaudichte und Überdeckung festgestellt. Um die mögliche Langzeitentwicklung zu erfassen, wurden Proben aus bis zu 13 Jahre alten, eingelagerten Bohrkernen der Vorerkundungsmaßnahmen entnommen. Dabei wurden im gleichen Gestein Werte von bis zu 500 mg/ l festgestellt. Die ermittelten Gehalte lagen somit im Bereich der Deponieverordnung (DepV), eine zweckmäßige Entsorgung der täglich bis zu 18.000 Tonnen aus den Maschinenvortrieben war damit ausgeschlossen. Um ausreichende Verwertungskapazitäten zu schaffen, wurde in Zusammenarbeit mit den oberen und unteren Umweltbehörden (RP Tübbingen, LRA Göppingen, LRA Esslingen und LRA Reutlingen) und mit dem Umweltministerium Baden-Württemberg in einem 3-monatigem Abstimmungsprozess der sogenannte „Pyrit-Erlass“ [4] erarbeitet. Der Erlass erging am 07.04.2017 und regelt die Verwertung des pyrithaltigen Tunnelausbruchmaterials unter den folgenden Einbaubedingungen: - Zeitnahes Einbauen - Kompaktes Einbauen (eher hoch als breit) in Monobereichen - Lagenweise verdichteter Einbau - Ableitung des Niederschlagswasser - Abdeckung des Einbaukörpers vor größeren Betriebspausen - Grundwasser-Monitoring - Ergänzende Maßnahmen bei Verwertungsstellen in Wasserschutzgebieten Der Grundgedanke des Erlasses ist, den ursprünglichen, ungestörten und dichten Zustand der Ton- und Tonmergelsteine durch lagenweises Einbauen möglichst schnell wiederherzustellen. Damit sollen der unmittelbar einsetzende Oxidationsprozess sowie die Lösung von Sulfat gehemmt bzw. unterbunden werden. Zur Festlegung der Einbaukriterien wurden Frachtbetrachtungen angestellt, d. h. der mögliche Austrag von Sulfat ins Grundwasser sollte auch bei sehr hohen Gehalten nicht über den genehmigten Eluatwerten des Standortes liegen. Letztendlich konnte für 3 große Verwertungsstandorte eine Genehmigung erwirkt werden. Während dieser Untersuchungs- und Abstimmungsphase musste für die Entsorgung des Materials der bereits in Ausführung befindlichen Voreinschnitte auf bis zu 100 km entfernte Gipsbrüche mit sogenannter Sulfatöffnungsklausel zurückgegriffen werden. 5. Herausforderungen bei der Entsorgung der Ausbruchsmassen 5.1 Probleme in Verbindung mit der Konditionierung Der TVM-Vortrieb im Erddruckmodus (VK4) erforderte die Umwandlung des abgebauten Baugrunds in einen Erdbrei mit definierter Konsistenz. Dieser muss einerseits einen Stützdruck auf die Ortsbrust übertragen kön- 108 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Tunnelbau im Schwarzjura - Erfahrungen bei den Vortrieben des Albvorlandtunnels nen und andererseits eine hinreichende Fließfähigkeit besitzen, um Verklebungen zu vermeiden und um von der Förderschnecke abgezogen werden zu können. Eine zu flüssige Konsistenz ist dabei jedoch wegen der Anforderung des Förderbandbetriebs unerwünscht. Ein zu hoher Wassergehalt beeinträchtigt außerdem die Einbaumöglichkeiten und muss durch Austrocknung oder Kalkung erst wieder beseitigt bzw. kompensiert werden. Aus einem Vortrieb fielen ca. 186 m³ Ausbruchsmaterial an. Je Kubikmeter Ausbruch wurden dabei ca. 650 l Wasser zugegeben, ergänzt durch eine Tensid-Konditionierung von 300 - 500 l pro Vortrieb. Über eine Mischanlage an den Abwurfpunkten wurde dann eine Kalkung des Ausbruchmaterial (Abbildung 6) vorgenommen. Eine Austrocknung kam auf Grund des dafür notwendigen, sehr großen Platzbedarfs nicht in Frage. Probleme resultierten vor allem aus den lokal stark schwankenden Wassermengen, der erheblichen Staubentwicklung sowie der Anlagentechnik für die Kalkzugabe und Mischung. Darüber hinaus wurde im Zuge der baubegleitenden Deklarationsanalysen festgestellt, dass das Ausbruchmaterial geogene Hintergrundgehalte des Bestimmungsparameters „MBAS“ aufwies, welcher eigentlich zur Kontrolle der im Vortrieb zugegebenen Tensidmengen herangezogen wurde. Aufgrund der an die Trinkwasserverordnung angelehnten genehmigten Grenzwerte der Verwertungsstandorte führte dies zu Einschränkungen bei der Tensiddosierung in den Vortrieben. Abbildung 6: Kalkmischanlage am Abwurfturm 5.2 Auftreten von geogenem BTEX und Arsen Der weitere Vortrieb wurde durchgehend in der VK2 aufgefahren. Eine Wasserzugabe erfolgte lediglich in der Förderschnecke. Innerhalb des Numismalismergels und Turneritons (Plinsbachium 1 sowie Sinemurium 2) wurden deutlich erhöhte BTEX-Gehalte sowie erhöhte Arsengehalte im Eluat festgestellt. Beide Parameter stellten sich als geogenen Ursprungs heraus. Insbesondere bei BTEX besteht die Problematik, dass das Überschreiten des Grenzwertes von 1 mg/ kg eine sofortige Einstufung in die Deponieklassen zur Folge hat. In Verbindung mit den Arsengehalten bis Z1.2 nach VwV sowie der bestehenden Pyritproblematik war eine ausreichend leistungsstarke und in den Kosten angemessene Entsorgung in Baden-Württemberg nicht mehr möglich. Für die Verwertung wurde auf Standorte der keramischen Industrie in Bayern umgestellt, da die dortigen Vorschriften eine Lagerung des Tunnelausbruchmaterials als Rohstoff ermöglichten. Darüber hinaus wurde das Material über eine Umschlagstelle in Plochingen per Bahn nach Thüringen transportiert und dort aufgrund der geringen Wasserdurchlässigkeit des Tonsteins als Abdichtungsmaterial im Deponiebau verwendet. Aufgrund der strikteren Umwelt-Gesetzgebung in Baden-Württemberg fielen dadurch täglich bis zu 100.000 LKW-km zusätzlich an. 5.3 Verwertung von konventionell gewonnenem Material Um den aufwändigen Abstimmungsprozess zu beschleunigen sah der Pyriterlass zunächst nur den Einbau von maschinell gewonnenem Tunnelausbruchmaterial vor, da durch den Vortrieb bereits primär eine starke Zerkleinerung und Durchmischung der Gesteine stattfindet. Um die Verwertung von Material aus den bergmännischen Vortrieben zu ermöglichen, musste zunächst der Nachweis erbracht werden, dass beim Einbau die geforderten Dichtigkeitskriterien erreicht werden können. Von Vorteil war, dass alle Beteiligten bereits über Langzeiterfahrung mit der Umsetzung des Pyriterlasses verfügten. Es wurden zunächst mehrere Testfelder angelegt und unterschiedliche Einbaumethoden erprobt. Herausforderung war dabei vor allem das gemeinsame Auftreten von Hartgesteinen und quartären Tonen, was die Bearbeitung beim Einbau erschwerte. Das Material konnte anschließend erfolgreich für den Bau von Seitenablagerung verwertet werden. 6. Verwertung/ Entsorgung nach Pyriterlass Die reguläre Verwertung eines Großteils der Ausbruchmassen während der Vortriebe erfolgte gemäß Pyriterlass in 3 Hauptstandorten (Abbildung 7). Dabei wurde das Ausbruchmaterial von der Fremdüberwachung des Auftraggebers regelmäßig am Anfallort untersucht [5] und die ermittelten Einbauanforderungen an den Auftragnehmer weitergegeben. Die Ausführung verlief überwiegend problemlos, die Einbaukriterien wurden meist ohne zusätzliche Nachbehandlung im Standort durch einfache Verdichtungsmethoden erreicht. Bei den regelmäßigen Nachbeprobungen konnte kein relevanter Anstieg der Sulfatgehalte festgestellt werden. Schwierigkeiten traten vor allem während der erddruckgestützten Phase mit schwankenden Wassergehalten 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 109 Tunnelbau im Schwarzjura - Erfahrungen bei den Vortrieben des Albvorlandtunnels sowie bei starken Niederschlägen auf. Hier musste das Material zwischengelagert sowie teilweise abgeschoben oder mit Weißfeinkalk behandelt werden. Für die Andienung notwendige Baustraßen wurden in den Monobereichen der Steinbrüche eingekapselt, um Wasserwegigkeiten auszuschließen. Abbildung 7: Einbau in den Verwertungsstellen nach Pyriterlass 7. Schlussfolgerung und Ausblick Aufgrund der Anforderungen aus dem Pyriterlass sowie geogener Hintergrundgehalte an BTEX und Arsen waren die Verwertungsmöglichkeiten in Baden-Württemberg stark eingeschränkt. Das Projekt wurde mit einem dreistelligen Millionenbetrag zusätzlich belastet. Die Entsorgung der Ausbruchsmassen ist einer der kostenintensivsten Posten im Tunnelbau. Eine präzise Vorerkundung der relevanten Parameter und die entsprechende Massenermittlung sind daher von größter Wichtigkeit. Zusätzlichen Untersuchungskosten von wenigen tausend Euro stehen Mehrkosten und Bauzeitverzüge in Millionenhöhe gegenüber. Wie am Beispiel des Albvorlandtunnels erkennbar, ist auch bei lediglich geogen belastetem Untergrund eine ortsnahe Verwertung keineswegs selbstverständlich. Insbesondere aufgrund abfallrechtlicher Anforderungen und landesspezifischer Vorschriften sowie beim Auftreten veränderlicher Parameter muss mit hohen Hürden bei der Entsorgung gerechnet werden. Dabei war es im vorliegenden Fall des Albvorlandtunnels unerheblich, dass die Sulfatgehalte um den Faktor 10 bis 20 unter denen üblicher, in der Region erhältlicher Mineralwässer lagen. Literaturverzeichnis [1] www.bahnprojekt-stuttgart-ulm.de, Webseite des Bahnprojektes Stuttgart-Ulm (Zugriff am 04.04.2019) [2] Verwaltungsvorschrift des Umweltministeriums Baden-Württemberg für die Verwertung von als Abfall eingestuftem Bodenmaterial vom 14. März 2007 (aktuell gültig bis zum Inkrafttreten der Änderung zur Bodenschutzverordnung, längstens bis 31.12.2019) [3] Verwertung von pyrithaltigem Bodenaushubmaterial in Verfüllungen und Abgrabungen, Erlass des Ministeriums für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft Baden-Württemberg, 07.04.2017 [4] Tunnelbau 2020, Ernst & Sohn, Art. „Tunnelbau im Schwarzjura - Besondere Herausforderungen beim Vortrieb des Albvorlandtunnels“ Dipl.-Ing. Jens Hallfeldt, Dipl.-Ing. Michael Frahm, Prof. Dr.-Ing. Dieter Kirschke, Dr.-Ing. Andreas Groten [5] „Zwischenbericht zu den Fremdüberwachungsleistungen zur Verwertung nach Pyriterlass“ ICP Ingenieurgesellschaft