12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 187 Wirtschaftliche Geogitter-Bauweisen beim Neubau der Hochgeschwindigkeitsstrecke Wendlingen-Ulm Markus Hempel NAUE GmbH & Co. KG, Espelkamp, Deutschland Zusammenfassung Der Neubau der rund 60 km langen Hochgeschwindigkeitsstrecke Wendlingen - Ulm befindet sich derzeit als Teilprojekt des Großprojektes Stuttgart-Ulm der Deutschen Bahn in der Realisierung. Im Rahmen der Neubaustrecke (NBS) Wendlingen - Ulm kommen in erheblichem Umfang Geogitter in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz. Die Geogitter werden dabei sowohl in dauerhaften Anwendungen als auch in temporären Baubehelfen verbaut. Die Geogitter-Bauweisen, u.a. als Dammbasisbewehrung, als Tragschichtbewehrung oder als Kunststoffbewehrte Erde, stellen grundsätzlich eine sehr wirtschaftliche und ökologische Alternative zu herkömmlichen Bauweisen dar. 1. Das Großprojekt Stuttgart-Ulm der Deutschen Bahn AG Das Großprojekt Stuttgart-Ulm der Deutschen Bahn AG setzt sich aus den beiden derzeit im Bau befindlichen Teilprojekten Stuttgart 21 und der Neubaustrecke (NBS) von Wendlingen nach Ulm zusammen. Das Teilprojekt Stuttgart 21 umfasst unter anderem den Neubau von 57 km Schienenwegen, davon 33 km in Tunneln. Die Streckenlänge des Teilprojekts NBS Wendlingen-Ulm beträgt 59,6 km, davon 30,4 km in Tunneln. Die NBS ist für den Personenfern- und Regionalverkehr mit einer Höchstgeschwindigkeit von 250 km/ h sowie für den Güterverkehr vorgesehen. Die Strecke ist ein Bestandteil der Achse Nr. 17 der Transeuropäischen Netze (Paris-Budapest/ Bratislava). Bei der Realisierung des Großprojektes kommen in erheblichem Umfang Geogitter in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz: - Dammbasisbewehrung im Karstgebirge - Verrieselungsschutz im Karstgebirge - Tragschichtbewehrung für Tübbinglagerflächen - Kunststoffbewehrte Erde unter temporärer Tübbingfabrik und Bahnstrecke - Geogitterbewehrte Stützkonstruktionen im Bereich eines Rettungsplatzes und der Zufahrt 2. Geogitter als Dammbasisbewehrung im Karstgebirge auf der Albhochfläche Im mittleren Streckenabschnitt des Planfeststellungsabschnitts (PFA) 2.3 beginnt bei NBS-km 65,865 der ca. 260 m lange Damm D7 mit einer maximalen Damm-höhe von ca. 8 m. Durch die vorlaufende Karsterkundung wurde im Bereich des Dammes auf einer Länge von ca. 150 m eine tiefgründige Karstwanne festgestellt. Die Karstwanne war neben Felsblöcken und Verwitterungsmassen in erheblichem Umfang mit weich bis steifen, mittelbis ausgeprägt plastischen Alblehmen gefüllt. Auf Grund der örtlichen Baugrundverhältnisse wurde zunächst ein tiefreichender Bodenaustausch, d.h. bis ca. 4,0 m unter Geländeoberkante (GOK) vorgesehen. Da die Erkundung aber Alblehmmächtigkeiten bis über 10,5 m unter GOK zeigte, verblieben somit bereichsweise bis zu 6,5 m mächtige Alblehmschichten. Aufgrund des planmäßigen Verbleibs des Alblehms unterhalb des Bodenaustausches wurden Setzungs- und Konsolidationsberechnungen durchgeführt. Es war nachzuweisen, dass die rechnerischen Restsetzungen nach einer einjährigen Überschüttung von 2,0 m den Anforderungen der Ril 836 [1] genügen. Darüber hinaus wurden die geotechnischen Nachweise für den Damm gegen Böschungsbruch und Dammfußgleiten geführt. Bedingt durch den Verbleib des Alblehms unterhalb des Bodenaustausches waren dabei für den Bauzustand, d.h. für das Schütten des max. ca. 8 m hohen Dammes, undränierte bzw. nur teilkonsolidierte Verhältnisse anzusetzen. Um für den Bauzustand unter teilkonsolidierten Verhältnissen die Standsicherheit gemäß DIN 4084 [2] gewährleisten zu können, war eine Dammbasisbewehrung rechnerisch erforderlich. Die für den Bauzustand erforderliche Dammbasisbewehrung wurde aus gelegten Geogittern aus Polyesterstäben mit geschweißten Knoten hergestellt (Bild 1). Somit konnte durch diese Geogitter-Bauweise sowie den Einsatz entsprechend zugfester Geogitter die Dammschüttung ohne zeitliche Verzögerungen durchgeführt werden und auf eine kosten- und zeitintensive Tiefgründung des Dammes verzichtet werden. 188 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Wirtschaftliche Geogitter-Bauweisen beim Neubau der Hochgeschwindigkeitsstrecke Wendlingen-Ulm Bild 1: NBS Wendlingen-Ulm, PFA 2.3, Damm D7, Herstellung und Überschüttung der Dammbasisbewehrung (Quelle: NAUE) 3. Geogitter als flexibler Verrieselungsschutz im Karstgebirge auf der Albhochfläche Auf der Albhochfläche verläuft die Trasse durch verkarstetes/ verkarstungsfähiges Gebirge mit einem potentiellen Risiko von Karsthohlräumen. Im Rahmen der Entwurfsplanung wurden daher umfangreiche Untersuchungen zur bautechnischen Beherrschung der Karstproblematik durchgeführt. Im Ergebnis zeigte sich, dass während des Baus sowohl mit dem Auftreten unterschiedlichster Karstphänomene als auch mit extrem wechselhaftem Baugrund gerechnet werden musste. Die Bauausführung wurde daher mit Detailerkundungen lokaler Karsterscheinungen durch weitere direkte Aufschlüsse begleitet. Um die verschiedenen potentiell auftretenden Karsterscheinungen schon im Rahmen der Planung zu berücksichtigen, wurde in den Bereichen mit Lockergestein der Einbau von Geogittern zur Überbrückung potentieller Erdeinbrüche als flexibler Verrieselungsschutz vorgesehen. In den Bereichen mit anstehendem Fels wurde eine Verrieselungsschutzschicht mit einer Dicke von mindestens d = 15 cm aus unbewehrtem Beton vorgesehen. Bild 2: NBS Wendlingen-Ulm, PFA 2.3, Anordnung der Geogitterbewehrung als Verrieselungsschutz (Quelle: INVER Auszug aus der Ausführungsplanung) Grundsätzlich soll durch diese Maßnahmen bei Verkarstungen bzw. Spaltenbildungen geringer Öffnungsweite ein Nachrieseln von im Ober-, Unterbau und Untergrund eingebauten Lockergesteinen (Dammschüttmaterial, Frostschutzschicht (FSS)) verhindert werden. In Bild 2 ist die Anordnung eines Geogitters als Verrieselungsschutz im Regelquerschnitt dargestellt. Darüber hinaus wurde für die insgesamt fünf Regenklär- und Versickerbecken (Bild 3) auf der Albhochfläche ebenfalls ein flexibler Verrieselungsschutz aus Geogittern vorgesehen. Die zwingend für die Versickerung erforderliche Wasserdurchlässigkeit der Verrieselungsschutzschicht konnte somit sichergestellt werden. Die zur Gewährleistung einer ausreichenden Versickerung auch gezielt verbleibenden Klüfte und Spalten im Karstuntergrund werden durch die Geogitter planmäßig überbrückt. Bild 3: NBS Wendlingen-Ulm, PFA 2.3, Systemzeichnung eines Regenklär- und Versickerbeckens (Quelle: DB Projekt Stuttgart-Ulm) Bei der Bemessung des flexiblen Verrieselungsschutzes wurden die Geogitter so dimensioniert, dass eine potenziell auftretende und/ oder nicht detektierte Karstspalte mit einer horizontalen Öffnungsweite von d = 30 cm über eine Nutzungsdauer von 100 Jahren gesichert werden kann (Bild 4). Durch die Anordnung der Geogitter sollen ggf. auftretende Verformungen durch Erdeinbrüche im Untergrund mit einer langfristig maximalen zulässigen Dehnung von 2% überbrückt werden, so dass die Verformungen im Bereich der Fahrbahnoberfläche möglichst gering bleiben. Für die vorgesehenen Geogitter muss eine Herstellerbezogene Produktqualifikation (HPQ) der Deutschen Bahn gemäß DB Standard (DBS) 918039 [3] für den entsprechenden Anwendungsfall vorliegen. Die Berechnungen erfolgten auf der Grundlage der DIN 1054: 2010-12 [4] und EBGEO [5]. Da die Erdeinbrüche nicht unmittelbar nebeneinander zu erwarten sind, kann dieser Ansatz als realitätsnah betrachtet werden. Es wurde das Berechnungsverfahren BGE nach [6] bzw. [5] verwendet, bei dem ein biaxiales Lastabtragungsmodell mit einer isotropen Geokunststoffbewehrung berücksichtigt wurde. Das Lastabtragungsmodell wurde mit Seitenreaktion betrachtet, so dass ein gewisser Lastabtrag über Seitenreaktion zwischen dem Bruchtrichter und dem anstehenden Boden erfolgt. 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 189 Wirtschaftliche Geogitter-Bauweisen beim Neubau der Hochgeschwindigkeitsstrecke Wendlingen-Ulm Bild 4: Prinzipskizze zur Überbrückung eines Erdeinbruchs mit Geogittern (Quelle: EBGEO [5]) Die rechnerische Überbrückung von potenziellen Erdeinbrüchen konnte bei einer Beschränkung der Dehnungen auf 2% und einer Nutzungsdauer von 100 Jahren mithilfe einer Lage eines gelegten Geogitters aus Polyesterstäben mit verschweißten Knoten vom Typ Secugrid nachgewiesen werden - im Bereich der Einschnitte mit einem isotropen Geogitter mit einer Höchstzugkraft von 40 kN/ m und im Bereich der Regenklär- und Versickerbecken mit Höchstzugkräften von 120 kN/ m in Maschinenrichtung (md) und 40 kN/ m quer zur Maschinenrichtung (cmd). Die Geogitter müssen bei dieser Anwendung grundsätzlich außerhalb des einbruchgefährdeten Bereiches mit den rechnerisch ermittelten Verankerungslängen weitergeführt werden. Dabei ist die Geogitterverlegung so auszuführen, dass der Lastausbreitungsbereich der Eisenbahnverkehrslasten abgedeckt wird. Die Verankerungslängen sind grundsätzlich außerhalb des Lastausbreitungsbereiches vorzusehen. 4. Geogitter zur temporären Tragschichtbewehrung für Tübbinglagerflächen am Boßler- und Albvorlandtunnel Der Albvorlandtunnel mit einer Länge von 8.176 m sowie der Boßlertunnel mit einer Länge von 8.806 m zählen nach der Fertigstellung zu den zehn längsten Eisenbahntunneln in Deutschland. Die Tunnel bestehen aus zwei eingleisigen Tunnelröhren, die je Tunnel mit insgesamt rund 50.000 Tübbing-Segmenten im maschinellen Tunnelvortrieb hergestellt werden. Die für den Bau erforderlichen Tübbing-Segmente werden dabei im Bereich des Tunnelportals gelagert (Bild 5). Da im Bereich der Tübbinglagerflächen zum Teil sehr heterogene Untergrundverhältnisse erkundet wurden, wurde eine Tragschichtbewehrung mit Geogittern vorgesehen. Durch den Einsatz der Geogitter wird zum einen die Grundbruchsicherheit der Lagerfläche erreicht und zum anderen werden potenzielle Differenzsetzungen weitestgehend reduziert. Die Tübbinglagerfläche am Boßlertunnel wird von wechselnd tragfähigen bis gering tragfähigen Untergründen unterlagert. Gemäß Baugrundgutachten wurden die wechselnden Untergrundbedingungen in drei sogenannte Homogenbereiche zusammengefasst. Bild 5: NBS Wendlingen-Ulm - Ausschnitt der Tübbinglagerfläche am Boßlertunnel (Quelle: www.bahn projekt-stuttgart-ulm.de) Unter Berücksichtigung der jeweiligen Baugrundverhältnisse sowie der vorgegebenen Lasten und Abmessungen der Einzelfundamente für die Lagerung der Tübbing-Segmente erfolgte die Bemessung der erforderlichen Geogitter Bewehrungslagen analog EBGEO [5] im GZ 1B unter Berücksichtigung der DIN 1054 [4] und DIN 4017 [7]. Neben der Grundbruchsicherheit wird in diesem Bemessungsansatz auch das Kriterium Durchstanzen überprüft und ausreichend bemessen. Die Bemessung ergab in Abhängigkeit der anstehenden Baugrundverhältnisse unterschiedliche Systemaufbauten. So kamen sowohl zweilagig als auch dreilagig bewehrte Systemaufbauten unter Verwendung gelegter Geogitter aus Polyesterstäben mit geschweißten Knoten zum Einsatz (Bild 6) Bild 6: Herstellung der Tübbinglagerfläche Boßlertunnel (Quelle: NAUE) 190 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 Wirtschaftliche Geogitter-Bauweisen beim Neubau der Hochgeschwindigkeitsstrecke Wendlingen-Ulm 5. Geogitterbewehrte Stützkonstruktionen am Boßlertunnel als temporäre Bauwerke Neben der geogitterbewehrten Tübbinglagerfläche kamen am Boßlertunnel weitere kunststoffbewehrte Stützkonstruktionen (KBE) als temporäre Bauwerke zum Einsatz. Für den Transport der Tübbing-Segmente von der Lagerfläche zur Tunnelvortriebsmaschine wurde eine rund 1.500 m lange temporäre Bahnstrecke auf einer geogitterbewehrten Stützkonstruktion errichtet (Bild 7). Bild 7: Herstellung der KBE für die Tübbingbahn am Boßlertunnel (Quelle: NAUE) Das Tübbingwerk als temporäre Feldfabrik für die Produktion der Tübbing-Segmente wurde direkt auf einer rund 6 m hohen geogitterbewehrten Stützkonstruktion aufgebaut (Bild 8). Bild 8: Herstellung der KBE für die Tübbingbahn am Boßlertunnel (Quelle: NAUE) Für diese Stützkonstruktionen kam ein spezifisches Außenhautsystem zum Einsatz. Die Außenhaut wird dabei durch einen Geogitterumschlag mit innen liegender Vliesstoffeinlage stabilisiert. Die auf die Böschungsneigung angepassten unverzinkten Stahlgitterelemente dienen dabei zunächst als verlorene Schalung sowie als formgebendes Element. Für die statische Berechnung der Gesamtstandsicherheit des Erdkörpers werden die Stahlgitterelemente nicht berücksichtigt. Durch den Rückumschlag der Geokunststoffbewehrung in die Konstruktion zurück entsteht ein hochbelastbarer Erdkörper, dessen Form individuell anpassbar ist. Eine statische Bemessung ist nach DIN 1054 [4], DIN 4084 [2] und EBGEO [5] in jedem Fall durchzuführen. Die Systembewehrung orientiert sich dabei hauptsächlich an den bodenspezifischen Eigenschaften sowie an den Lastannahmen. Die Vorteile dieser Stützkonstruktionen aus kunststoff-bewehrter Erde (KBE) sind nicht nur auf die konstruktiv-technischen Eigenschaften und die Verwendbarkeit günstigen Baumaterials (Boden) zurückzuführen, sondern umfassen auch die nahezu 100%ige Recyclingfähigkeit der Konstruktion. 6. Dauerhafte KBE-Konstruktion im Bereich des Rettungsplatzes und der Zufahrt am Albabstiegstunnel Im Rahmen des Einsatzkonzeptes für den Brand- und Katastrophenschutz wurde am Tunnelportal Dornstadt des Albabstiegstunnels ein Rettungsplatz mit einer direkten Anbindung an das öffentliche Verkehrsnetz vorgesehen. Der Rettungsplatz war gemäß den Vorgaben der DIN 14090 [8] auszuführen. Die Zu- und Abfahrt zum Rettungsplatz war demnach in einer Fahrbahnbreite von 6 m zu errichten. Gemäß der Entwurfsplanung sollte der Unterbau des Rettungsplatzes sowie der Zufahrt aus scherfestem, gebrochenem Tunnelausbruchmaterial 0/ 56 aufgebaut und mit einem zugfesten Geotextil ummantelt werden. In Anlehnung an die DIN 14090 [8] sollte bei der Bemessung des Rettungsplatzes eine Einzellast von 140 kN berücksichtigt werden. Die Böschungsneigung war mit einer Regelböschungsneigung von 1: 1,5 geplant. Die Standsicherheit der Böschung bei Aufbringung der o.g. Einzellast mit einem Minimalabstand von 0,75 m von der Böschungsschulter konnte mit einer KBE-Konstruktion mit polsterförmigem Umschlag der Geogitter an der Böschungsfront rechnerisch nachgewiesen und realisiert werden. Die Bemessung und Nachweisführung erfolgte nach DIN 1054: 2010 [4] im Teilsicherheitskonzept unter Anwendung der DIN 4084 [2] sowie der EBGEO [5]. Im Ergebnis wurden zwei Lagen des Geogittertyps Secugrid mit Höchstzugkräften von 120 kN/ m (md) und 40 kN/ m (cmd) mit einem Lagenabstand von 0,50 m unter Berücksichtigung des beschriebenen Außenhautsystems mit Einbindelängen der Geogitter von 5 m und 7 m rechnerisch erforderlich. Gemäß Entwurfsplanung sollte die Dammschüttung sowohl für den Rettungsplatz als auch für die Rettungsplatzzufahrt aus scherfestem, gebrochenem Tunnelausbruchmaterial 0/ 56 hergestellt werden. Dabei sollte die unterste 50 cm Lage mit einem Geogitter verstärkt und auf einem Geotextil als Trennlage verlegt werden. Nach der vorliegenden Baugrunderkundung lag die Aushubsohle in den quartären Abschwemmmassen, für die ein mittlerer Verformungsmodul von Ev2 = 7,5 MN/ m² 12. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2020 191 Wirtschaftliche Geogitter-Bauweisen beim Neubau der Hochgeschwindigkeitsstrecke Wendlingen-Ulm angesetzt werden konnte. Auf der Oberkante der Dammschüttung wurde ein Verformungsmodul von Ev2 = 45 MN/ m² gefordert. Im Ergebnis der Bemessung konnte nachgewiesen werden, dass die geforderten Tragfähigkeiten und Standsicherheiten durch den Einbau einer Lage Geogitter vom Typ Secugrid mit einer Höchstzugkraft von 40 kN/ m (md und cmd) sowie eines robusten Vliesstoffs als Trennlage realisiert werden konnten. 7. Fazit Durch den vielfältigen Einsatz von Geogittern in zahlreichen Anwendungen konnten im Rahmen der Neubaustrecke Wendlingen-Ulm technisch sehr zuverlässige und äußerst wirtschaftliche Bauweisen realisiert werden. In den dauerhaften Anwendungen, z.B. beim Rettungsplatz am Albabstiegstunnel, können die hohen Anforderungen an die Tragfähigkeit für schweres Bergungsgerät im Havariefall permanent sichergestellt werden. In den temporären Anwendungen stellen die KBE-Konstruktionen nach Ende der Nutzungsdauer eine sehr umweltschonende Bauweise dar, da die einzelnen Baustoffe sortenrein zurückgewonnen werden können und zu 100% recyclingfähig sind. Der Rückbau wurde in einem Teil der beschriebenen Anwendungsfälle bereits begonnen. Quellenverzeichnis: [1] DB Netz AG: Ril 836 Erdbauwerke und sonstige geotechnische Bauwerke planen, bauen und instandhalten. [2] DIN 4084, Ausgabe: 1981-07 Baugrund; Gelände- und Böschungsbruchberechnungen. [3] DB Netz AG: DB Standard DBS 918039 - Technische Lieferbedingungen Geokunststoffe für den Eisenbahnbau. Frankfurt am Main, Oktober 2015. [4] DIN 1054, Ausgabe: 2010-12. Baugrund - Sicherheitsnachweise im Erd- und Grundbau. [5] EBGEO - Empfehlungen für den Entwurf und die Berechnung von Erdkörpern mit Bewehrungen aus Geokunststoffen. Hrsg.: Deutsche Gesellschaft für Geotechnik. Verlag Ernst & Sohn, Berlin, 2010. [6] Schwerdt, S., Meyer, N., Paul, A. (2004): Die Bemessung von Geokunststoffbewehrungen zur Überbrückung von Erdeinbrüchen (B.G.E. Verfahren). Bauingenieur 79, H.9. [7] DIN 4017: 2006-03: Baugrund - Berechnung des Grundbruchwiderstands von Flachgründungen. [8] DIN 14090: Flächen für die Feuerwehr auf Grundstücken.