14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 347 Neckartalbrücke Horb - Geotechnische Herausforderungen auf anspruchsvollem Baugrund Dipl.-Ing. Michael Kupka Smoltczyk & Partner GmbH, Stuttgart Dipl.-Geol. Dr. Martin Brodbeck Smoltczyk & Partner GmbH, Stuttgart Zusammenfassung Gegenwärtig wird im Zuge des Neubaus der Ortsumfahrung Horb die Hochbrücke Horb über den Neckar errichtet. Die Talbrücke liegt hier geologisch im Oberen sowie Mittleren Muschelkalk. Aufgrund der tiefgründigen Auslaugung des Steinsalz-, Gips- und Anhydritlagers im Mittleren Muschelkalk mit entsprechender Verringerung der Schichtmächtigkeiten, kommt es zu einer Hangzerreißung des Oberen Muschelkalks mit ausgeprägten Spalten und Hohlräumen. Im Vorfeld müssen daher neben umfangreichen Hohlraumerkundungen und Gebirgsvergütungen auch große Erdbausowie Sicherungsmaßnahmen ausgeführt werden. Anschließend können Flachgründungen im Oberen Muschelkalk sowie Tiefgründungen bis in den unausgelaugten Mittleren Muschelkalk realisiert werden. Der Beitrag stellt die geologischen und hydrogeologischen Randbedingungen, die ausgeführten Vorabmaßnahmen sowie Gründungsarbeiten in diesem sehr anspruchsvollen Baugrund dar. 1. Einführung Die Bundesstraße B- 32 als wichtiger Bestandteil der West-Ost-Verbindung zwischen Offenburg und der A-81 bindet den Landkreis Freudenstadt an das Autobahnnetz an. Bisher führt die B-32 durch den Ortskern von Horb am Neckar, was zu einer erheblichen Verkehrsbelastung führt. Dies soll durch den Neubau der Ortsumfahrung Horb behoben werden. Die im Bau befindliche Neckartalbrücke stellt dabei den Hauptbestandteil der Ortsumfahrung dar. Abb. 1: Digitales Modell der Talbrücke, Blickrichtung Nordstetten und Horb Die Brücke liegt aus geologischer Sicht in den Schichten des Oberen und Mittleren Muschelkalks mit an den Talflanken ausgeprägter Hangzerreißung im Oberen Muschelkalk infolge der Auslaugung und dem Versturz des Mittleren Muschelkalks. Entsprechend waren neben einem Erkundungs-programm, ein angepasstes Gründungskonzept mit Hohlraumerkundungen und Gebirgsvergütungen, umfangreichen Erd- und Sicherungsarbeiten sowie eine engmaschige Begleitung der Gründungsarbeiten erforderlich. In den nachfolgenden Abschnitten gehen wir auf die Baumaßnahme, die anspruchsvollen geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse sowie die ausgeführten geotechnischen Maßnahmen ein. 2. Baumaßnahme Die im Bau befindliche Neckartalbrücke weist eine Länge von 667-m und eine Fahrbahnhöhe von ca. 70-m auf. Sie ist als sechsfeldriger Durchlaufträger in semiintegraler Bauweise geplant. Die Spannweiten liegen zwischen 60-m und 160-m. Die drei mittleren Pfeiler werden oberhalb der Fahrbahn V-förmig aufgeweitet. Die maximale Höhe inklusive der Pylone beträgt 90 m. Die Brücke ist als digitales Modell in den Abbildungen 1 und 2 dargestellt. Abb. 2: Digitales Modell der Talbrücke mit Traggerüst---Blickrichtung Nordstetten und Horb Der Brückenüberbau wird bis zur Fertigstellung der abgespannten Pylone auf 18 Hilfspfeilerpaaren, die jeweils einen Abstand von ca. 30-m aufweisen, hergestellt. 348 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 Neckartalbrücke Horb - Geotechnische Herausforderungen auf anspruchsvollem Baugrund 3. Geologische und hydrogeologische Verhältnisse 3.1 Baugrunderkundung Zur Erkundung der Baugrundverhältnisse fanden in den Jahren 2008, 2018 und 2019 insgesamt 3 Erkundungskampagnen statt. Zur Erkundung wurden • Verrohrte Rammkernbohrungen d=178 mm und Rotationskernbohrungen d= 146 mm • Kleinbohrungen • Schwere Rammsondierungen • Großschürfe ausgeführt. Die bis zu 80-m tiefen Kernbohrungen wurden an den Talflanken teilweise zu Inklinometermessstellen sowie in der Talaue zu Grundwassermessstellen ausgebaut. 3.2 Geologische und hydrogeologische Verhältnisse Die Hochfläche und die steilen Schultern des Neckartals werden von den Kalksteinbänken des Oberen Muschelkalks aufgebaut. Darunter folgt am flachen Fuß der Hänge die tiefgründig ausgelaugte Salinar-Formation des Mittleren Muschelkalks, die sich unter den mächtigen Talablagerungen der rund 200 m breiten Neckaraue fortsetzt. Der Mittlere Muschelkalk ist aufgrund der intensiven Auslaugung und Umwandlung des Gips-, Anhydrit- und Salinargesteins überwiegend zu Boden zersetzt und verstürzt. Infolge der Auslaugung und der damit einhergehenden Verringerung der Schichtmächtigkeit sind die Schichten des Oberen Muschelkalks nachgesackt, was mit einer intensiven Zerklüftung und Zerrüttung des Gebirges („Hangzerreißen“) einhergeht. Es wurden daher sowohl offene als auch mit Schuttmassen und Lehm verfüllte dezimeterbis meterbreite Spalten im Oberen Muschelkalk festgestellt. In die Bodenmatrix des ausgelaugten Mittleren Muschelkalks sind untergeordnet noch einzelne festgesteinsartige Partien in Form von Tonsteinen mit einzelnen Gipssteinen sowie Dolomitsteinen eingeschaltet. Unterhalb der unregelmäßigen Auslaugungsfront, die sich zuerst trichter- oder gangförmig entlang präferierter Wasserwegigkeiten im Mittleren Muschelkalk gebildet hat, findet der Übergang zum unausgelaugten Mittleren Muschelkalk, eine Wechselfolge aus weißgrauen Gips- und grauen Tonsteinlagen, statt. Im Liegenden folgen schließlich die Kalksteine und Kalkmergelsteine des Unteren Muschelkalks. Ein beispielhaftes Bohrprofil ist in Abbildung 3 dargestellt. Abb. 3: Schichtprofil BK 10-19, südliche Talflanke 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 349 Neckartalbrücke Horb - Geotechnische Herausforderungen auf anspruchsvollem Baugrund Auf der Nordseite, im sogenannten Haugenloch, wurde in der Vergangenheit ein Steinbruch im Oberen Muschelkalk betrieben, der mittlerweile mit Abraummaterial verfüllt ist. Die stärker zerrissenen Bereiche des Oberen Muschelkalks wurden dadurch auf der Seite Haugenloch in der Vergangenheit abgebaut, so dass der hier im Norden folgende Obere Muschelkalk im Vergleich zur Seite Nordstetten weniger zerrüttet ist. 3.3 Geologischer Längsschnitt Basierend auf den Baugrundaufschlüssen sowie unserer regionalgeologischen Erfahrung wurde das in Abbildung 4 dargestellte geologische Modell entwickelt. Abb. 4: Geologischer Schnitt durch das Neckartal am Brückenstandort (5-fach überhöht) 3.4 Weiterführende Untersuchungen Zur Beurteilung der Zerrütung des Gebirges wurde im Bereich des flachgegründeten Pfeilers Achse 60 ein Großschurf ausgeführt. Durch den Großschurf wurden nach Abtrag der Deckschichten teils dezimeterbreite Spalten und Klüfte im Oberen Muschelkalk erkundet. Weiterhin wurden geophysikalische Messungen mittels Georadars, Elektromagnetik und 2D-Widerstandstomografie auf der Seite Nordstetten ausgeführt, die sowohl im Bereich der dort liegenden Pfeilers (Achse 60), als auch am südlichen Widerlager (Achse 70) eine intensive Zerrüttung im Oberen Muschelkalk sowie Hohlraumverdachtsflächen bestätigten. Die Situation an der südlichen Talflanke stellt sich hier vergleichbar zu den in der Literatur und allgemein bekannten Felsengärten in Hessigheim dar (siehe Abbildung 5). An der südlichen Talflanke wurden weiterhin bis zu 80 m tiefe Inklinometer hergestellt, um mögliche Gebirgsverformungen beurteilen zu können. Im Rahmen der Messungen wurden diesbezüglich keine Auffälligkeiten festgestellt. Auf Basis der Untersuchungen haben wir als Voraussetzung für eine Flachgründung im Oberen Muschelkalk eine umfassende Hohlraumerkundung und Gebirgsvergütung, eine Begutachtung und geologische Aufnahme der Gründungssohlen empfohlen. Zusätzlich wurde der Bemessungswert des Sohlwiderstands auf der sicheren Seite liegend festgelegt. 350 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 Neckartalbrücke Horb - Geotechnische Herausforderungen auf anspruchsvollem Baugrund Abb. 5: Geologischer Schnitt Felsengarten Hessigheim, © Regierungspräsidium Freiburg, Abteilung 9 LGRB 4. Gründung und Vorabmaßnahmen 4.1 Gründung der Talbrücke Der Obere Muschelkalk ist in Verbindung mit den beschriebenen Maßnahmen zur Hohlraumerkundung und Gebirgsvergütung ausreichend tragfähig und für Flachgründungen geeignet. Hingegen sind die in den Talflanken anstehenden Deckschichten Hanglehm/ Hangschutt aber auch die Neckarkiese sowie der ausgelaugte Mittlere Muschelkalk für einen konzentrierten Lastabtrag nicht geeignet. Daher wird in den weiteren Bereichen eine Tiefgründung über Bohrpfähle im unausgelaugten Mittleren Muschelkalk erforderlich. Entsprechend wurde folgendes Gründungskonzept umgesetzt: • Flachgründung der Widerlager (Achsen 10 und 70) sowie des Brückenpfeilers Achse 60 auf dem Oberen Muschelkalk. Vorauseilend werden die Deckschichten vollständig abgetragen und eine Hohlraumerkundung und Gebirgsvergütung im Oberen Muschelkalk durchgeführt. Der Bemessungswert des Sohlwiderstands wurde hierbei auf s R,d = 500 kN/ m² begrenzt. • Tiefgründung der Pfeiler über Bohrpfähle im unausgelaugten Mittleren Muschelkalk (d =1,5 m, Pfahllängen bis 40 m) • Tiefgründung der Hilfspfeiler mit Bohrpfählen d=90 cm im unausgelaugten Mittleren Muschelkalk, örtlich in Verbindung mit einer Hohlraumerkundung auch im Oberen Muschelkalk Im Bereich des Haugenlochs müssen mit der Pfahlgründung die mehrere Zehnermeter umfassenden Abraummassen aus dem Steinbruchbetrieb durchörtert werden. Der hier vorgesehene, umfangreiche Erdbau würde bei unmittelbar anschließender Pfahlherstellung zu einer Einwirkung aus negativer Mantelreibung führen. Durch entsprechenden zeitlichen Vorlauf der Erdbaumaßnahme, Einbau bindemittelverbesserten Materials sowie messtechnischer Überwachung wird sichergestellt, dass bei der geplanten, hochliegenden Bohrpfahlgründung im Haugenloch keine nennenswerte negative Mantelreibung und somit eine zusätzliche Beanspruchung der Pfähle auftritt. 4.2 Vorabmaßnahmen Die Erdbau- und Sicherungsmaßnahmen sowie Hohlraumerkundung- und Gebirgsvergütung werden möglichst mit zeitlichem Vorlauf zum anschließenden Brückenbau ausgeführt. Im Wesentlichen fanden folgende Maßnahmen statt • Qualifizierter Erdbau auf der Seite Nordstetten zur Schaffung der südlichen Zuwegungen (ca. 50.000 m³) • Vernagelte Spritzbetonwände mit Höhen bis zu 15 m (statisch bemessen) • Hohlraumerkundung (bis 12 m unter Aufstandsfläche) und Gebirgsvergütung • Qualifizierter Erdbau sowie Sicherung mit Bewehrter Erde auf der Seite Haugenloch zur Schaffung der nördlichen Zuwegungen (ca. 100.000 m³) Abb. 6: Hohlraumerkundung und Gebirgsvergütung auf der Seite Nordstetten Die Hohlraumerkundung im Oberen Muschelkalk wurde mit den Ankerbzw. Sprenglochbohrgeräten sowohl verrohrt als auch unverrohrt in einem Raster von 3 m x 3 m und einer Tiefe von 12 m (Flachgründung) bzw. 5 m unter Pfahlfuß (Tiefgründung) ausgeführt (siehe Abbildung 6). Die Zerrüttung des Oberen Muschelkalks zeigt sich beispielhaft auch in Abbildung 7. Die Hohlraumvergütung erfolgte gestaffelt durch Zementsuspension, Mörtel und Beton. Es wurden hierbei Verfüllmengen von teils 20 m³ pro Bohrloch erreicht. Bei Auffälligkeiten wurde das Raster mittels Kontrollbohrungen verdichtet. Zu beachten waren bei der Gebirgsvergütung auch die Belange des Grundwasserschutzes. So wurde parallel zur Ausführung täglich die Vorflut hinsichtlich pH-Wert-Erhöhungen sowie Trübungen untersucht. Verunreinigungen wurden nicht festgestellt. 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 351 Neckartalbrücke Horb - Geotechnische Herausforderungen auf anspruchsvollem Baugrund Abb. 7: Spalten im Bereich des Oberen Muschelkalks Im Bereich des Widerlagers Achse 70 (Seite Nordstetten) wurde nach dem Abtrag der Deckschichten eine ca. 3 m breite mit Versturzmassen gefüllte Spalte im Oberen Muschelkalk aufgeschlossen (siehe Abbildung 7). Zur Schaffung tragfähiger Verhältnisse wurde im Zuge der Vorabmaßnahmen die Spalte bis 5 m unter Oberkante Muschelkalk ausgebaggert und mit ca. 450 m³ Pfahlbeton verfüllt. Anschließend wurde planmäßig eine qualifiziert hergestellte Vorschüttung von 5 m Höhe aufgebaut. Weiterhin müssen zur Sicherstellung der Zugänglichkeit umfangreiche Erdarbeiten vorgenommen werden. Auf der Seite Nordstetten wurden ca. 50.000 m³ Vorsiebmaterial 0/ 200 mm mit einer Felsfräse lagenweise auf 0/ 63 mm zerkleinert und mit Mischbindemittel verfestigt. Die Auffüllungen und die Deckschichten wurden im Vorfeld abgezogen und das verfestigte Material lagenweise mit dem anstehenden Muschelkalk verzahnt. In Abbildung 9 sind die Baustraßen auf der Seite Nordstetten nach Abschluss des Erdbaus dargestellt. Die Standsicherheit wurde durch entsprechende erdstatische Berechnungen nachgewiesen. Abb. 8: Verfüllung der im Widerlagerbereich Achse 70 angetroffenen Spalte Gegenwärtig laufen noch umfangreiche Erdarbeiten im Bereich des zu verfüllenden Haugenlochs (ehemaliger Steinbruch auf der Nordseite). Im Vorfeld der Brückenarbeiten wird der Steinbruch vollständig verfüllt (ca. 100.000 m³ qualifizierter Erdbau, Auf bauhöhe bis zu ca. 25 m). Nach Fertigstellung der Baustraßen und Böschungssicherungen (bewehrte Erde) werden Bohrpfähle bis in den tragfähigen unausgelaugten Mittleren Muschelkalk geführt. Wesentlich ist hierbei der Ausschluss von negativer Mantelreibung, was durch entsprechenden zeitlichen Vorlauf, die Bindemittelverbesserung sowie eine messtechnische Überwachung (Setzungspegel) sichergestellt wird. 352 14. Kolloquium Bauen in Boden und Fels - Januar 2024 Neckartalbrücke Horb - Geotechnische Herausforderungen auf anspruchsvollem Baugrund 5. Ausführung der Gründungsarbeiten Nachfolgend wird beispielhaft auf die Gründungsarbeiten eingegangen. Abb. 9: Baustraßen und Sicherungsmaßnahmen auf der Seite Nordstetten Nach Fertigstellung der Hohlraumerkundung und Gebirgsvergütung in Achse 60 wurde die Felsoberfläche gebirgsschonend und angepasst an die Bankung mit dem Bagger freigelegt und soweit erforderlich mit der Schaufel gesäubert (siehe Abbildung 10). Anschließend erfolgte eine geologische Aufnahme der Fläche einschließlich nochmaliger optischer Überprüfung der Aufstandsfläche hinsichtlich verbliebener Hohlräume und Spalten. Anschließend wurde zur Schaffung einer ebenen Aufstandsfläche Pfahlbeton eingebracht, so dass die Flachgründungen planmäßig erfolgen können. Abb. 10: Freigelegte Felsoberfläche auf der westlichen Seite der Achse 60 Beispielhaft für die durchgeführten Bohrpfahlarbeiten sind in Abbildung 11 die Arbeiten für ein Hilfspfeilerpaar auf der Seite Nordstetten dargestellt. Die verrohrten Bohrarbeiten wurden unter Einsatz von Felsbohrschnecken und geeigneten Bohreimern ausgeführt. Der Einsatz von Verrohrungsmaschinen wurde bisher nicht erforderlich. Die festgestellten Baugrundverhältnisse stimmen gut mit den erkundeten Baugrundverhältnissen überein. Die Bohrpfähle wurden planmäßig in den unausgelaugten Mittleren Muschelkalk abgesetzt. Aufgrund der anspruchsvollen geologischen Verhältnisse wurden die Spezialtief bauarbeiten von uns engmaschig begleitet. Abb. 11: Bohrpfahlarbeiten an einer Hilfsgründung Mittlerweile sind die Spezialtief bauarbeiten auf der Seite Nordstetten sowie in der Neckaraue abgeschlossen. Nach Fertigstellung der Erd- und Sicherungsarbeiten im Haugenloch werden die weiteren Spezialtief bauarbeiten Ende 2024 fortgesetzt. 6. Zusammenfassung Die Baugrundverhältnisse für die Gründung der Hochbrücke Horb stellen sich aufgrund der intensiven Zerrüttung des Oberen Muschelkalks und der fast vollständigen Auslaugung des Mittleren Muschelkalks als anspruchsvoll dar. Basierend auf einer umfangeichen Baugrunderkundung können nach erfolgter Hohlraumerkundung und Gebirgsvergütung dennoch Flachgründungen im Oberen Muschelkalk realisiert werden. Im Mittleren Muschelkalk sind hingegen Tiefgründungen bis in die unausgelaugten Horizonte erforderlich. 7. Danksagung Wir möchten uns beim Regierungspräsidium Karlsruhe, Referat 47.3, dem Planer Leonhardt, Andrä und Partner sowie der Dach-ARGE Hochbrücke Horb (Porr GmbH-& Co. KG und Stump-Franki Spezialtief bau GmbH) für die gute und vertrauensvolle Zusammenarbeit bedanken. Weiterhin sei stellvertretend für die zahlreichen beteiligten Kollegen und Kolleginnen von S & P insbesondere Herrn Dr.Ing.-T.-Rumpelt, Herrn Dipl.Geol. P. Polzin und Herrn Dipl.-Geol. P.-Schlittenhardt, für den intensiven Austausch und die Unterstützung gedankt.