13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 219 Stand der Technik beim Bauen im Heilquellenschutzgebiet in Stuttgart Dr. rer. nat. Annette Strasser Amt für Umweltschutz Landeshauptstadt Stuttgart, Gaisburgstraße 4, 70182 Stuttgart E-Mail: annette.strasser@stuttgart.de Dr.-Ing. Annette Lächler Smoltczyk & Partner GmbH, Untere Waldplätze 14, 70569 Stuttgart E-Mail: alaechler@smoltczykpartner.de Zusammenfassung Ein Großteil des Stadtgebiets Stuttgart liegt im Quellenschutzgebiet der staatlich anerkannten Heilquellen von Stuttgart- Bad Cannstatt und Stuttgart-Berg. Mit einer Gesamtschüttung von rund 500 l/ s stellt das Stuttgarter Mineralwassersystem nach Budapest das zweitgrößte Mineralwasseraufkommen in Europa dar, welches durch ein seit 2002 rechtskräftiges Quellenschutzgebiet besonders geschützt wird. Hierfür wurden in einer Verordnung unter anderem sowohl die wasserrechtlichen als auch die baulichen Eingriffe in dem Quellenschutzgebiet definiert. Insbesondere bei innerstädtischen Projekten stößt man aus wasserrechtlicher Sicht schnell an die Grenze der baulichen Umsetzung. Tiefbauprojekte in der Kern- und Innenzone des Heilquellenschutzgebietes stellen eine besondere Herausforderung dar. Trotzdem konnten durch bautechnische Lösungen in den letzten Jahren viele Bauprojekte, auch Großprojekte, in den sensiblen Bereichen des Heilquellenschutzgebiets umgesetzt werden. 1. Geologischer und hydrogeologischer Überblick Der Stuttgarter Baugrund stellt sich extrem vielfältig dar [1]. Ein Grund dafür ist das Zusammenspiel der besonderen geomorphologischen/ topographischen “Kessellage” mit den im Untergrund vorhandenen Gesteinen. Der Neckar und dessen Zuflüsse Nesen- und Feuerbach sowie der Vogelsangbach, einem Zufluss des Nesenbachs, legten durch ihr Einschneiden und der damit einhergehenden Ausräumung der Landoberfläche eine mehr als 250 m mächtige Abfolge wechselhafter Gesteinsschichten an den Talhängen frei. Die aufgeschlossenen stratigraphischen Einheiten reichen vom Oberen Muschelkalk im Norden des Stadtgebiets über die Gesteine des Keupers bis zu den Unterjuragesteinen im Süden auf der Filderhochfläche. Auf weiten Flächen im Stadtgebiet streichen die Gesteine des Keupers aus. Sie stehen an den Talhängen und im Talkessel an, wobei die Sandsteinformationen innerhalb des Keupers, wie die Löwenstein- (Stubensandstein-Formation) oder Stuttgart-Formation (Schilfsandstein-Formation) Zwischenebenen ausbilden. Im Talkessel selbst und am Hangfuß ist die Grabfeld-Formation (Gipskeuper-Formation) aufgeschlossen. Eine wesentliche Rolle für die Hydrogeologie und damit verbundenen vertikalen und horizontalen Wegsamkeiten spielt die Lage Stuttgarts innerhalb einer tektonischen Grabensituation, dem Fildergraben. Im Süden wird der Fildergraben durch die Vaihinger Störungszone begrenzt, welche nur einen kleinen Teil des Stadtgebiets tangiert. Die nördliche Grabenrandverwerfung des Fildergrabens quert jedoch das Stadtgebiet von Nordwest nach Südost und ist begleitet von zahlreichen kleinräumigen tektonischen Störungen [2], die insbesondere im Bereich des Stadtbezirks Cannstatt in der Cannstatter Störungszone sehr ausgeprägt sind. Die Wechselfolgen aus Ton-, Schluff-, Kalk-, Dolomit- und Sandsteinen führen zu einer Vielzahl an geringbis mittelmächtigen voneinander getrennten insbesondere Kluftgrundwasserleitern. So kann man in Stuttgart weit mehr als zehn Grundwasserstockwerke ausmachen. Den ergiebigsten oberflächennahen Aquifer stellen hierbei die quartären Ablagerungen des Neckars mit den Neckarkiesen dar. Daneben befindet sich in größerer Tiefe das mächtige Grundwasserreservoir des Oberen Muschelkalkes, welches im Bereich des Stuttgarter Neckartals in Bad Cannstatt und Berg soweit mineralisiert ist, dass es das zweitgrößte Mineralwasseraufkommen in Europa mit einer Gesamtschüttung von rund 500 l/ s darstellt. Das Mineralwasser des Oberen Muschelkalks ist stark gespannt, so dass es im Neckartal artesische Verhältnisse aufweist. Hier findet man im Stadtbezirk Bad Cannstatt und im Stadtteil Berg lokal natürliche Aufstiegszonen 220 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Stand der Technik beim Bauen im Heilquellenschutzgebiet in Stuttgart des Mineralwassers in den quartären Grundwasserleiter. Nur noch an der Mombachquelle sprudelt aus dem letzten natürlichen Quelltopf Stuttgarts niedrig konzentriertes Mineralwasser ans Tageslicht. 2. Das Stuttgarter Mineralwasser und Heilquellenschutzgebiet 2.1 Das Stuttgarter Mineralwasser Das Neubildungsgebiet des ergiebigen Stuttgarter Karstbzw. Mineralwassersystems im Oberen Muschelkalk befindet sich hauptsächlich in dem 18 bis 24 km westlich und südwestlich von Stuttgart gelegenen Oberen Gäu (Heckengäu) bzw. im Raum Gärtringen-Sindelfingen- Magstadt [3], [4], [5], [6]. Hier kann in dem, teils bis an die Oberfläche anstehenden, Oberen Muschelkalk-Karst Niederschlagswasser in die Tiefe versickern; von dort aus strömt das Grundwasser des Oberen Muschelkalks in Richtung Osten bzw. Nordosten bis es nach einer Fließdauer von etwa 20-30 Jahren im Bereich der Stuttgarter Mineralquellen ankommt [7], [8]. Gerade mal auf einer Strecke von ca. 5 km entsteht im Untergrund des Stadtgebiets Stuttgart aus dem bis dahin gering mineralisierten Oberen Muschelkalk -Grundwasser das hochkonzentrierte Mineralwasser der Stuttgarter Heilquellen [9]. Erst im Bereich des Mittleren Nesenbachtals erfährt dieses gering mineralisierte Grundwasser eine erste Aufkonzentrierung mit Calciumsulfat aus dem höherliegenden Grundwasserstockwerk des Gipskeupers (Abb. 1) [9]. Ab dem unteren Nesenbachtal gelangen hochsalinare Tiefenwässer aus den Schichten des Mittlerer Muschelkalks, des Buntsandsteins und des Kristallins sowie freie Kohlensäure aus dem Oberen Erdmantel in das Grundwasser des Oberen Muschelkalks, was zu einer weiteren Aufmineralisierung (Natriumchlorid und Sulfat) und Entstehung der hochkonzentrierten Mineralwässer führt (Abb. 1) [9]. Im Bereich Bad Cannstatts erreicht das Mineralwasser eine flächige Ausdehnung [9], wo es aus dem Oberen Muschelkalk an den zahlreichen Verwerfungen der Cannstatter Störungszone des Fildergrabens in den Neckar, in den quartären Grundwasserleiter oder in den Fassungen bzw. im Quelltopf der Mombachquelle an die Oberfläche aufsteigen kann. Im Cannstatter Becken fließen zusätzlich kleinere Mengen (ca. 35 l/ s) an höher konzentriertem Mineralwasser von Süden aus dem Albvorland zu [10]. Das Stuttgarter Mineralwasser weist je nach Mineralisation und Kohlensäuregehalt einen niedrigen oder hochkonzentrierten Charakter auf. Heute erschließen 19 Brunnen sowie 1 natürlicher Quelltopf (Mombachquelle) das Stuttgarter Mineralwassersystem [11], davon 12 Fassungen die hochkonzentrierten Heilquellen aus dem Oberen Muschelkalk bzw. dessen Grenzbereich zum darüber liegenden Unterkeuper oder zum darunter liegenden Mittleren Muschelkalk. Der tiefste der 19 Brunnen ist die Hofrat-Seyffer-Quelle, in der mit einem Fassungsbereich von 165,6 m bis 477,0 m Tiefe u. Gel. hochkonzentriertes Mineralwasser aus dem Buntsandstein und dem Kristallin erschlossen wird. Mit einer Temperatur von bis zu 23,9 °C stellt sie damit die einzige Thermalsole in Stuttgart dar. Durch ihre tiefere Erschließung ist sie hydrogeologisch nicht dem Mineralwassersystem des Oberen Muschelkalkes zuzuordnen. Die 13 hochkonzentrierten Quellen, u.a. Insel-, Leuzequelle, die 6 Berger Quellen sowie die Kursaalquellen, wurden aufgrund ihrer therapeutischen Wirkung als Heilquellen staatlich anerkannt. Abb. 1: Entstehung des Stuttgarter Mineralwassers im Nesenbach- und Neckartal [9] Abb. 2.: Lageplan und Zonierung des Heilquellenschutzgebiets [16], [11], [17], [18] 2.2 Das Stuttgarter Heilquellenschutzgebiet Zum Schutz dieser Heilquellen trat 2002 die „Verordnung des Regierungspräsidiums Stuttgart zum Schutz der staatlich anerkannten Heilquellen in Stuttgart- Bad Cannstatt und Stuttgart-Berg“ in Kraft [12]. Mit dieser wurde ein ca. 300 km 2 großes Quellenschutzgebiet fest- 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 221 Stand der Technik beim Bauen im Heilquellenschutzgebiet in Stuttgart gesetzt, welches, ausgehend von den Fassungsbereichen, von innen nach außen in die Kern-, Innen- und Außenzone gegliedert ist (Abb. 2) [13], [14], [15]. Die Außenzone erstreckt sich mit einem Großteil noch weiter nach Westen und Südwesten in den Landkreis Böblingen und teils auch in den Landkreis Ludwigsburg mit der Stadt Gerlingen. Auch die Städte Esslingen und Fellbach im Osten und Südosten Stuttgarts werden von der Außenzone noch erfasst (Abb. 2). Die nördlichen und südlichen Bereiche Stuttgarts liegen außerhalb des Quellenschutzgebietes. Die Zonierung richtet sich nach der Verletzbarkeit und Schutzbedürftigkeit des Mineralwassersystems gegenüber qualitativen (stofflichen) und quantitativen (mengenmäßigen) Einflüssen [11], [18]. Definiert werden die Zonen über geologische, hydrogeologische bzw. hydrologische Gesichtspunkte [11], [18]. So ist z.B. der Flurabstand des Druckspiegels im Oberen Muschelkalk oder sein artesischer Zustand sowie die Mächtigkeit der Deckschichten über den Gesteinen des Oberen Muschelkalks ausschlaggebend. Insbesondere spielen hierbei die Grundgipsschichten an der Basis der Grabfeld-Formation (Gipskeuper-Formation) mit ihrer abdichtenden Wirkung eine zentrale Rolle. Zur Kernzone zählen die eigentlichen Aufstiegsbereiche der Stuttgarter Heil- und Mineralwässer im Cannstatter Becken und im unteren Nesenbachtal (Abb. 3) [13], [11], [17]; hier ist das Mineralwasser artesisch gespannt. Zudem umfasst die Zone das untere und mittlere Nesenbachtal, in denen die Grundgipsschichten teilweise oder vollständig abgetragen sind (Abb. 3). Der Druckspiegel im Aquifer des Oberen Muschelkalks befindet sich hier innerhalb des Quartärs, taucht jedoch zum mittleren Nesenbachtal talaufwärts weiter unter Flur ab, so dass er sich auch innerhalb der teilweise abgetragenen Grundgipsschichten befinden kann (Abb. 3) [13], [11], [17]. Abb. 3: Zonen des Heilquellenschutzgebiets im Nesenbachtal und ihre geologischen und hydrogeologischen Kriterien; mo: Oberer Muschelkalk, ku: Unterkeuper, km1GG: Grundgipsschichten, km1BH: Bochingen-Horizont, km1DM: Dunkelrote Mergel, km1BH: Bleiglanzbankschichten, km1MH: Mittlerer Gipshorizont, q: Quartär; [13], [11], [17] Charakteristisch für die Innenzone ist das vollständige und flächenhafte Vorhandensein der ausgelaugten Grundgipsschichten mit einer Mächtigkeit von ca. 9 m (Abb. 3). Diese wirkt als vertikale Trennschicht und ist somit wasserwirtschaftlich relevant. Eine vollständige Mächtigkeit der Grundgipsschichten setzt deren Überlagerung mit dem Bochinger-Horizont voraus. Innerhalb der Innenzone steigt die Druckfläche des Grundwassers im Oberen Muschelkalk von ENE nach WSW talaufwärts im Nesenbachtal leicht an (Abb. 3). In Verbindung mit einem steileren Schichteinfallen und der Tektonik wandert die, zunächst über den Grundgipsschichten liegende Druckfläche, Richtung Westen weiter talaufwärts durch die Grundgipsschichten hindurch (Abb. 3). Die Innenzone grenzt sich zur Außenzone mit dem Ausstreichen des Weinsberg-Horizontes (Bleiglanzbankschichten) und einer damit verbundenen Gesteinsüberdeckung der Grundgipsschichten von mehr als 20 m ab (Abb. 3). 3. Bauen im Heilquellenschutzgebiet Grundsätzliche Aufgabe des Grundwasserschutzes ist es, das Grundwasser vor qualitativen Einflüssen (Einbringen von Schadstoffen) zu schützen, aber auch bei baulichen Eingriffen die natürliche Grundwassersituation wiederherzustellen, so dass längerfristige Veränderungen im Grundwasserssystem ausbleiben. Hierzu gehören z.B. beim Bau von Gebäuden dementsprechende Umläufigkeitssysteme einzurichten oder die Grundwasserstockwerkstrennung, beim Eingriff in mehrere Aquifere, wiederherzustellen. Solch ein „Kurzschluss“ zwischen verschiedenen Aquiferen kann zu geochemischen Veränderungen der Grundwasserzusammensetzung führen oder aber auch zu mengenmäßigen Verlusten von einem Aquifer in einen anderen. Dies kann je nach Druckniveau der beiden Aquifere und des daraus resultierenden hydraulischen Gradienten in beide Richtungen erfolgen. Im Heilquellenschutzgebiet gilt es zusätzlich die staatliche Anerkennung der Heilquellen zu bewahren. Voraussetzung einer staatlichen Anerkennung ist zum einen die „Natürlichkeit der Heilmittel“, also frei von anthropogenen Stoffen, zum anderen auch eine gleichbleibende Konzentration der Inhaltsstoffe. Hier spielen auch indirekt quantitative Einflüsse, also z.B. Mineralwasserverluste, eine große Rolle, da sich dadurch die Druckverhältnisse im System ändern, was zu einer Verschiebung des sehr sensiblen, chemisch-physikalischen Gleichgewichtes führt (z.B. Kohlensäuregehalt) [11], [17]. Sowohl die Verordnung zum Schutz der Heilquellen als auch Detailregelungen zur Umsetzung der Anforderungen der Heilquellenschutzverordnung, welche z.B. im Rahmen von wasserrechtlichen Erlaubnissen aufgestellt werden, regeln zulässige bauliche und wasserrechtliche Eingriffe in den einzelnen Schutzzonen [12], [11], [17]. In weiten Teilen der Außenzone schützen die mächtigen überlagernden Deckschichten das Grundwasser des Oberen Muschelkalkes. Hier können nur dauerhafte oder 222 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Stand der Technik beim Bauen im Heilquellenschutzgebiet in Stuttgart sehr große Grundwasserverluste die Heilquellen gefährden. Daher sind in dieser Zone dauerhafte Grundwasserentnahmen aus dem Aquifer des Oberen Muschelkalks verboten. Die Tiefeneinbindung von flächenhaften baulichen Eingriffen sind in der Innenzone abhängig von der Höhenlage des Druckspiegels des Oberen Muschelkalkes in Bezug zu den Grundgipsschichten. Hier darf nur flächenhaft in die Grundgipsschichten eingebunden werden, wenn die Druckhöhe des Aquifers im Oberen Muschelkalk nicht unterschnitten wird. Ansonsten besteht durch die Ausräumung dieser Dichtschicht bei einer gleichzeitigen Grundwasserabsenkung im Rahmen einer Bauwasserhaltung die Gefahr eines Mineralwasseraufstiegs in darüber liegende Stockwerke oder bis in die Baugrube (Abb. 4) [19], [11], [17]. Abb. 4: Schema eines Mineralwasseraufbruchs durch Druckumkehr, ausgelöst durch eine Bauwasserhaltung; mo: Oberer Muschelkalk, ku: Unterkeuper, km1GG: Grundgipsschichten, km1BH: Bochinger-Horizont, km1DM: Dunkelrote Mergel, km1BH: Bleiglanzbankschichten, km1MH: Mittlerer Gipshorizont, q: Quartär; GWbgr: Wasserhöhe in der Baugrube, GWmo: Druckwasserhöhe im Oberen Muschelkalk; MW: Mineralwasser; Δp: hydraulischer Druckunterschied bzw. Gradient [19], [11], [17] Flächenhafte Eingriffe unter die Grundgipsschichten in den Unterkeuper oder tiefer sind in der Innenzone verboten. Zudem darf lediglich über eine Dauer von maximal 6 Monaten unter einer maximalen Entnahmerate von 2 l/ s und einer Gesamtentnahmemenge von 32.000 m 3 eine Bauwasserhaltung aus Schichten oberhalb des Unterkeupers erfolgen. Hierbei müssen heilquellenspezifische Maßnahmen, wie die Überwachung von Vor-Ort-Parametern im Grundwasser durchgeführt werden. Die Einschränkungen für bauliche und wasserrechtliche Eingriffe verschärfen sich in der Kernzone weiter. Allein ein Anschneiden der unter dem Quartär liegenden Keuperschichten kann zu einem Mineralwasseraufbruch führen, da das Grundwasser im Oberen Muschelkalk bis hin zu artesischen Verhältnissen gespannt ist. Daher sind flächenhafte Eingriffe unter die Quartärbasis, Grundwasserhaltungen sowie das Freilegen von Grundwasser in einer Fläche > 500 m 2 verboten. Wegen der strengen Auflagen zum Schutz der Heilquellen war es nur mit konstruktiver Zusammenarbeit zwischen Planern und Genehmigungsbehörde möglich, bei Würdigung der hydrogeologischen und ingenieurgeologischen Randbedingungen unter Einsatz spezieller technischer Schutzmaßnahmen anspruchsvolle Bauvorhaben in Stuttgart zu realisieren. 4. Projekte Nachfolgend werden zwei Projekte beschrieben, in denen die besonderen Vorkehrungen zum Heilquellenschutz vorgestellt und illustriert werden. 4.1 B10 - Rosensteintunnel Das Straßenbauprojekt Rosensteintunnel ist aktuell die größte Infrastrukturmaßnahme des Tiefbauamtes der Landeshauptstadt Stuttgart, die Inbetriebnahme des Tunnels ist Anfang 2022 geplant, so dass die Baumaßnahme zum Zeitpunkt der Veröffentlichung bereits nahezu abgeschlossen ist. Die Maßnahme wurde in zwei Abschnitten realisiert. Der eigentliche Rosensteintunnel mit zwei Röhren mit jeweils zwei Fahrstreifen führt unter dem Rosensteinpark hindurch. Der zweite Abschnitt ist der Umbau der Kreuzung der beiden Bundesstraßen B10 und B14 am Leuzebad. Mit dieser Maßnahme und dem bereits realisiertem B10 Pragsatteltunnel wird der Verkehr wieder auf der B10 gebündelt und die Wohngebiete in Bad Cannstatt, Stuttgart- Ost und Zuffenhausen vom Durchgangsverkehr entlastet (Abb. 5) 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 223 Stand der Technik beim Bauen im Heilquellenschutzgebiet in Stuttgart Abb. 5: Lageplan Straßenbauprojekt Rosensteintunnel (Quelle: https: / / rosensteintunnel.stuttgart.de/ item/ show/ 544511) Im Folgenden wird der Fokus auf die Herstellung der im östlichen Anschluss an den bergmännischen Rosensteintunnel unter die bestehenden Straßen- und Stadtbahntrassen verlaufende Tunnel in offener Bauweise in der Neckartalstraße gelegt. Auf Grund der Lage dieses Abschnitts in der Kernzone des Heilquellenschutzgebietes war gemäß den in Abschnitt 3 erläuterten Auflagen der wasserrechtlichen Erlaubnis eine Grundwasserabsenkung bzw. -entnahme nicht gestattet. Zur Unterquerung der Neckartalstraße wurde für beide Fahrtrichtungen ein gemeinsamer Stahlbetonquerschnitt aus wasserundurchlässigem Beton hergestellt. An den geschlossenen Tunnel schließt sich in der Neckartalstraße eine Rampenstrecke an, die für beide Fahrtrichtungen als ein gemeinsamer Stahlbetontrog ausgeführt wird. Der für den Bauabschnitt relevante Baugrund (Abb. 6) besteht aus künstlichen Auffüllungen, die zur Gestaltung des Rosensteinparks und seiner Zuwegungen und beim Bau der Neckartalstraße eingebaut wurden. Hierbei ist von besonderer Bedeutung der nun mit Auffüllungen verfüllte rund 20 m breite, 6 m tief reichende ehemalige Mühlkanal am westlichen Auenrand des Neckartals. Darunter folgt der bis zu 4 m mächtige Auelehm, der teilweise organische Bestandteile aufweist. Am äußersten Auenrand folgen unter dem Auelehm, sonst direkt unter der Auffüllung, Neckarkiese. Ihre Mächtigkeit beträgt in der Talaue meist 3 m bis 4 m; am Talrand, im Bereich des Geländeanstiegs zum Rosensteinpark, keilen sie aus. Die unter den quartären Deckschichten folgenden Schichten des Gipskeupers setzen stratigraphisch im Bereich zum bergmännischen Tunnel vom untersten Abschnitt des Gipskeupers, den sog. Grundgipsschichten, ein, eine Wechselfolge von sehr mürben und verstürzten Schluffton- und Kalksteinen, die teilweise auch zu Schluff verwittert sind (Verwitterungsklasse V4). Sie sind unter der Neckaraue durch den Neckar vollständig erodiert und stehen nur unter der Neckartalstraße und westlich davon noch an. Unter dem Gipskeuper bzw. an der Basis der Neckarkiese folgen die Schichten des Lettenkeupers, eine insgesamt gut 20 m mächtige Wechselfolge von Tonmergelsteinen und Dolomitsteinen sowie untergeordnet Sandsteinen. Die Oberfläche des Lettenkeupers liegt etwa 3 m bis 4 m unter der Baugrubensohle. Den tieferen Untergrund bilden die mineralwasserführenden Schichten des Oberen Muschelkalks. Der artesisch gespannte Wasserspiegel des Oberen Muschelkalks liegt rund 2 m bis 3 m über Gelände. Der Grundwasserstand (Quartär bzw. Gipskeuper) lag entsprechend Stichtagsmessungen während der Entwurfsphase noch knapp unter der Baugrubensohle. Zum Zeitpunkt der Bauausführung wurden jedoch höhere Grundwasserstände gemessen, auch wurden Anpassungen in der Gradiente erforderlich, so dass die geplante Baugrubensohle bis zu 50 cm unterhalb des Grundwassers zu liegen kam. Abb. 6: Geologischer Längsschnitt Bereich, offene Bauweise in der Neckartalstraße Auf Grund des bereits wasserrechtlich genehmigten durchlässigen Baugrubenverbaus in Form eines Trägerbohlverbaus mit Spritzbetonausfachung wurde entschieden, wie im Portalbereich des bergmännischen Tunnels nachträglich den Verbau mit Niederdruck-Injektionen abzudichten. Hierzu wurden hinter den Baugrubenverbauten Injektionsschleier hergestellt. Die Injektionen reichten von 1 m oberhalb des Grundwassers bis 0,5 m in die Schichten des Lettenkeupers. Zur Verifizierung der Höhenlage der Lettenkeuper-Oberfläche wurden vorab umfangreiche Erkundungsbohrungen abgeteuft. Die seitliche Abdichtung wurde als ausreichend angenommen, da der Lettenkeuper und die hangseits anstehenden Grundgipsschichten als natürliche Stauer betrachtet wurden und die Einbindung in das Grundwasser nur wenige Dezimeter betrug. Zur Risikominimierung wurde darüber hinaus die Baugrube mit Hilfe von Injektionsschleiern in vier Teilbaugruben unterteilt (siehe Abb. 7). 224 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Stand der Technik beim Bauen im Heilquellenschutzgebiet in Stuttgart Abb. 7: Grundriss der Baugrube, Tunnel in offener Bauweise mit Darstellung der Injektionsschleier Die Teilflächen hatten somit Abmessungen von < 500 m², womit auch die Auflagen der Heilquellenschutzverordnung zum Freilegen von Grundwasser erfüllt wurden. Mit Hilfe von vorab hergestellten Brunnen sollten dann die Teilbaugruben gelenzt werden. Um den Erfolg der Abdichtungen mittels der Injektionsschleier zu überprüfen, wurden im Vorfeld Pumpversuche in den jeweiligen Teilbaugruben durchgeführt. Hierbei wurde festgestellt, dass die geforderte komplette Abdichtung nicht zu erzielen war. Es lag die Vermutung nahe, dass punktuell über alte Kanäle oder aber auch über den Mühlkanal unkontrollierbare Wasserzutritte vorhanden waren. Während des Aushubs konnte kein Wasserzuritt über die Verbauwände festgestellt werden, so dass man davon ausgehen konnte, dass die Niedrig-Injektionen erfolgreich waren. Zur Unterbindung eines Grundwasserzuflusses über die Sohle bis in das Niveau der Bodenplatte wurde eine verstärkte, auftriebssichere Unterwasserbetonsohle konzipiert. Da in Teilbereichen auf der Baugrubensohle die Grundgipsschichten vorhanden waren und diese erst Richtung Neckar ausstreichen, wurde ein Bodenaustausch mit Schotter im Bereich der bindigen Bodenschichten hergestellt. Dieser Bodenaustausch mit sogenannten „Schroppen“ diente der Vermeidung einer Verschlammung der Baugrubensohle des einzubringenden Unterbetons. Hierzu wurde der Boden rund 0,3 m unter dem Grundwasserspiegel gegen den Grobschotter ausgetauscht und mit einer schweren Rüttelplatte mit vier Übergängen verdichtet. Darauf wurde dann der Unterbeton / Unterwasserbeton eingebracht, der bis zur Verbauwand geführt wurde. Abb. 8: Blick Richtung bergmännischen Tunnel und aktuellem Einbau des Unterwasserbetons Diese Maßnahmen haben dazu geführt, dass die Rahmenbauwerke in einer trockenen, tragfähigen Baugrube hergestellt werden konnten und somit die Auflagen des Heilquellenschutzes eingehalten werden konnten. 4.2 Wohnbebauung in Stuttgart-Bad Berg In Stuttgart-Bad Berg - zwischen dem Mineralbad Berg und Leuze-Bad wurde eine Neubebauung mit insgesamt 12 4 bis 5 geschossigen Mehrfamilienhäusern über einer gemeinsamen Tiefgarage geplant. Entsprechend der Heilquellenschutzverordnung liegt das Grundstück in der Kernzone. Es liegt am Südostrand der Talaue des Nesenbachs und fällt steil von etwa 231 mNN im Süden nach Norden, zum Hangfuß hin, auf rund 224,5 mNN zum Nesenbachtal hin ab. In der Nesenbachaue weist der Baugrund einen komplexen, mehrschichtigen Aufbau auf, siehe Abb. 9: • künstliche Auffüllung, die im Zusammenhang mit der ehemaligen Altbebauung stand; • unterlagert von einem tonigen, feinsandigen Auelehm mit überwiegend weicher Konsistenz • und, 2 m bis 4 m unter Gelände, sog. Sauerwasserablagerungen, die zwischeneiszeitlich, vor mehreren zehntausend Jahren, als Ablagerungen von kohlensäurehaltigen Mineralwasserquellen entstanden sind. • Den tieferen Untergrund unter den quartären Deckschichten bilden die Schichten des Gipskeupers, stratigraphisch den Dunkelroten Mergeln und Bochinger Horizont zuzuordnen, der sich noch rund 3 m zur Tiefe hin fortsetzt und von den Grundgipsschichten unterlagert wird. Im Hangbereich ist der Baugrundaufbau wie folgt; unter einem Oberboden / Auffüllungen folgen die Schichten des Gipskeupers, stratigraphisch beginnend mit den Dunkelroten Mergeln. 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 225 Stand der Technik beim Bauen im Heilquellenschutzgebiet in Stuttgart Quartäres Grundwasser wurde rund 5 m unter der Geländeoberfläche im Talbereich angetroffen, der Druckwasserspiegel des Oberen Muschelkalks gemäß Messungen in der Umgebung etwas oberhalb des Geländes auf 225,5 mNN. Auf Grund des ansteigenden Geländes nach Süden taucht der Druckwasserspiegel unter die Geländeoberfläche ab, so dass er sich im höchsten Bereich der Bebauung etwa 5,5 m unter Gelände in den Dunkeltoten Mergeln befindet. Da das Grundstück in der Kernzone liegt, ist gemäß Heilquellenschutzverordnung ein Eingriff nur bis maximal 0,5 m oberhalb der Basis Quartär gestattet. Demzufolge war anfangs die geplante Bebauung nicht umsetzbar, da eine Einbindung der Gebäude, insbesondere auch auf Grund der Hanglage zwingend erforderlich war Nach eingehender Prüfung der geologischen und hydrogeologischen Randbedingungen und intensiven Abstimmungen mit den Fachbehörden konnte festgestellt werden, dass im Hangbereich die Kriterien der Kernzone nicht gegeben waren. Die Grundgipsschichten waren noch vollständig vorhanden und von den Schichten des Bochinger Horizontes sowie Dunkelroten Mergeln teils bis zu 10 m mächtig überlagert. Eine artesische Situation des Druckwasserspiegels des Oberen Muschelkalks wie im Talbereich was an dieser Stelle nicht mehr vorhanden. .Abb. 9: Geologischer Schnitt: Nesenbachtalaue - Hang Daher wurde eine Einbindung in den Gipskeuper sowohl als geologischer als auch als hydrogeologischer Sicht im Hangbereich nicht kritisch angesehen, da insbesondere weder ein Eingriff in die vollflächig vorhandenen, abdichtenden Grundgipsschichten noch in das Grundwasser vorgesehen waren. Mit Hilfe einer Befreiung von der Heilquellenschutzverordnung konnte die Planung somit nahezu planmäßig umgesetzt werden. Im Bereich der Talaue war eine Einbindung in den Gipskeuper weiterhin, bis auf eine kleine Fläche am Übergang zum Hang untersagt. Auf Grundlage einer Schichtlagerungskarte mit Darstellung der Basis der quartären Schichten musste die Planung dahingehend angepasst werden. Des Weiteren wurden alle Bauteile im Gipskeuper, die in das Niveau des Druckwasserspiegels im Oberen Muschelkalk einbinden, ohne die üblichen Drän- und Trennschichten direkt gegen den anstehenden Baugrund betoniert und in wasserundurchlässigem Beton ausgeführt. Damit sollte gewährleistest werden, dass nach den baulichen Eingriffen die abdichtende Wirkung des entnommenen Gipskeupers wiederhergestellt wurde. Die Baumaßnahme, insbesondere im Bereich der Talaue, mussten durch einen hydrogeologischen Gutachter intensiv begleitet werden. So musste der Aushub im Bereich mit genehmigter Einbindung von wenigen Quadratmetern in den Gipskeuper im Bereich der Talaue, begleitet und kartiert werden (Abb. 10). Beim Aushub wurden erwartungsgemäß die Schlufftonsteine des Bochinger Horizonts angetroffen, der flächige Eingriff betrug rund 20 m². Abb. 10: Kartierung der Baugrubensohle Diese beschriebene Herangehensweise mit einer frühzeitigen Einbindung der Genehmigungsbehörden hat gezeigt, dass Projekte auch unter Einhaltung der geologischen und hydrogeologischen Grundsätze der Heilquellenschutzverordnung entsprechend der ursprünglichen Planung möglich sind. 5. Fazit In Stuttgart stellen Morphologie, komplexe Baugrundverhältnisse sowie die Vorgaben zum Schutz der Heilquellen besondere Herausforderungen für die Planung und Realisierung von Tiefbauvorhaben dar. Oftmals können innerstädtische Baumaßnahmen nicht wie geplant realisiert werden, dies muss den Investoren im Vorfeld bewusst sein. Zudem müssen oft Sonderwege gegangen werden, die Auf Grund ihrer technischen Komplexität teilweise aber auch hohe Kosten verursachen, dass die Rentabilität manchmal in Frage gestellt werden muss. Dennoch hat sich gezeigt, dass sich im Gespräch und der Ausarbeitung der wasserrechtlichen Erlaubnis mit den Genehmigungsbehörden Lösungen finden. Letztendlich konnten in den vergangenen Jahrzehnten eine Vielzahl selbst anspruchsvollster Tiefbauprojekte, sowohl im öffentlichen als auch im privaten Bereich, erfolgreich realisiert werden. 226 13. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Februar 2022 Stand der Technik beim Bauen im Heilquellenschutzgebiet in Stuttgart Literatur [1] E. Rogowski: Erläuterungstext „Der Baugrund von Stuttgart“. In: Landesamt für Geologie, Rohstoffe und Bergbau Baden-Württemberg (Hrsg.): Der Baugrund von Stuttgart. Ingenieurgeologische Karte von Baden-Württemberg 2017, 157 S. [2] A. Strasser, W. Ufrecht und H. Zedler: Ein neuer Aufschluss in der östlichen Fildergrabenrandverwerfung (Schwieberdingen-Kallenberg Störungszone) in Stuttgart-Zuffenhausen. In: T. Simon (Hrsg.): Gedenkband Walter Carlé. Jahreshefte der Gesellschaft für Naturkunde in Württemberg, Sonderband 3/ 2013, S. 229-242. [3] E. 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In: Jahreshefte der Gesellschaft für Naturkunde in Württemberg 176/ 2020, S. 251-292. [18] G. Wolff: Technischer Heilquellenschutz in Stuttgart Fortschreibung 2021. In: Schriftenreihe des Amtes für Umweltschutz 1/ 2021, 257 S. [19] G. Wolff: Neukonzeption zum Schutz der Heilquellen von Stuttgart-Bad Cannstatt und -Berg.- Bauen in den engeren Schutzzonen. In: Geotechnik 3/ 1999, S. 185-193.