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60 MN/m 2 allgemein als frostsicher, solche von qu = 30-60 MN/m 2 als schwach frostempfindlich und bei Druckfestigkeit qu < 30 MN/m 2 als stark frostempfindlich. Bei veranderlichfesten Gesteinen ist die Frostempfindlichkeit des Verwitterungsproduktes ma6gebend. Bei der Beurteilung der Frostempfind-
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12.4 Frostwirkung
12
Tabelle 12.6 Klassifikation der Frostempfindlichkeit von Bodengruppen (aus ZTVE-StB 09). Frostempfindlichkeitsklasse
Frostempfindlichkeit
F1
nicht frostempfindlich
Bodengruppen (DIN 18 196)
GW, GI, GE SW, SI, SE
F2
TA
gering bis mittel frostempfindlich
QT,
OH, OK
ST,GT'I SU ,GU '
F3
TL, TM UL, UM, UA
sehr frostempfindlich
OU
ST', GT' SU',GU' Anmerkung: 1) zu F1 gehiirig bei einem Anteil an Korn unter 0,063 mm von 5,0 Gew.-% bei Cc > 15,0 oder 15,0 Gew.-% bei Cc ~ 6,0.
lichkeit von Fels im Gebirgsverband ist auch das Trennflachengefuge zu beachten. 1m Erdbau erfolgt die Beurteilung der Frostempfindlichkeit eines Festgesteins gema6 TL Gestein-StB nach der Wasseraufnahme nach DIN 1097 -6 und nach dem Frost-Tau -Wechselversuch nach DIN EN 1367-1.
12.4.2 Tragschicht und Frostschutzschicht im StraBenbau Bei der Beurteilung des Frostgefahrdungsgrades sind au6er der Frostempfindlichkeit des Untergrundes auch die Verkehrsbedingungen (Bauklassen I bis VI), die Lage der Stra6e sowie das Frosteinwirkunsgebiet mit den unterschiedlichen Frosteindringtiefen sowie das Mikroklima und die hydrogeologischen Bedingungen entscheidend. Fur die Frostsicherheit einer Stra6e zahlt die Gesamtdicke der Oberbaus (Abb. 12.1), bestehend aus der Decke, ein oder mehreren Tragschichten (ungebunden oder gebunden) und der eigentlichen Frostschutzschicht. Diese bildet die erste Tragschicht uber dem Planum. Sie ist in der Regel ungebunden. Aufgrund ihrer Kornung solI sie verhindern, dass Wasser aus dem Untergrund kapillar aufsteigen kann und sie muss von oben eingedrungenes Wasser seitlich ableiten. Das verwendete Material muss frostsicher und verwitterungsbestandig sein. Verwendet werden sowohl
Kies-Sand-Gemische der Gruppen GE, GI, Gw, SE, SI und SW (DIN 18196) als auch BrechsandSchotter-Gemische der Lieferkornung 0/56 und auch industrielle Nebenprodukte (Schlacken) oder Recycling -Baustoffe, soweit sie den Richtlinien fur Tragschichten im Stra6enbau (ZTVTStB 95/02) entsprechen. Der Anteil an Feinkorn < 0,063 mm darf im eingebauten Zustand nicht mehr als 7 Gew.-% betragen. Die Bemessung der Frostschutzschicht (FSS) erfolgt nach der vorhandenen standardisierten Oberbaudicke, der Frostempfindlichkeitsklasse (FIIF3) und den vier verschiedenen frostsicheren Bauweisen nach ZTVT-StB 95/02 (Tragschichten) unter Berucksichtigung von Zu- bzw. Abschlagen nach RStO 01 je nach den ortlichen Frosteinwirkungsgebieten (Zone I-III). Die Gesamtdicke des frostsicheren Stra6enaufbaus betragt damit je nach Bauklasse (I bis VI) und der Frostempfindlichkeitsklasse (F2, F3) in cm: , -II
III IV
V VI
F2
55
50
40
F3
65
60
50
Eine Bodenverfestigung (Abschn. 12.3) der obersten Zone des Untergrundes oder des Unterbaus kann mit bis zu 20 cm auf die Dicke der Frostschutzschicht angerechnet werden (Abb. 12.14).
336
12 Erdarbeiten
12 Oberbau
45 MNlm'
bau
55 an
70 MNlm'
55cm
65 em
45 MNlm'
F2Boden
Oher-
Oherbau
F3Boden
F3Boden
Abb. 12.14 Erforderliche Dicke des frostsicheren Oberbaus bei Bauklasse I-II fOr die Frostempfindlichkeitsklasse F 2 und F 3 und Reduzierung durch eine qualifizierte Bodenverbesserung (nach RstO 01 und ZTV E StB 09; nach SCHADE 2010).
Auf der Frostschutzschicht muss ein Verdichtungsgrad von DPr = 103 bzw. 100% oder ein Verformungsmodul Ev2 = 120 bzw. 100 MN/m 2 erreicht werden (Einzelheiten s. ZTV SoB-StB 04/07).
12.4.3 Bettung, Frostschutzund Planumschutzschicht bei Gleisanlagen Die bei der Zugfahrt entstehenden StoBbelastungen und Schwinggeschwindigkeiten mussen von den Tragschichten des Bahnkorpers aufgenommen werden. Die Tragfahigkeitsanforderungen an das Erdplanum (Unterbaukrone) sind aus Abb. 12.6 ersichtlich. 1st die Tragfahigkeit auf dem Erdplanum nicht gewahrleistet, muss der Untergrund bzw. Unterbau ertuchtigt werden. Die Tragschichten des klassischen Oberbaus von Gleisanlagen sind die Schotterbettung und die Planumschutzschicht (Abb. 12.6). Die Anforderungen an den Gleisschotter sind in den Technischen Prufbestimmungen fUr die Prufung von Gleisschotter der DB und den Technischen Lieferbedingungen fur Gleisschotter geregelt. Die
Anforderungen an die Lieferkornung 25/65 sind im Abschn. 2.1.5 angesprochen. Die Planumschutzschicht (PSS) ist ein Teil der Frostschutzschicht bzw. Tragschicht. Sie hat die Aufgabe, die Gebrauchsfahigkeit der Erdbauwerke gegenuber Einwirkungen der Verkehrslasten und von Witterungseinflussen (Niederschlag, Frost) zu erhalten und das Schotterbett vor dem Eindringen feinkorniger Bodenteile aus dem Unterbau bzw. dem Untergrund zu schutzen. Als Material werden Mineralstoffgemische (Brechsand, Splitt oder Kiessand 0-56 bzw. 0-32 mit Cu > 15) verwendet. Das Mineralstoffgemisch muss den Technischen Lieferbedingungen der DB AG entsprechen, d. h. es muss gering wasserdurchlassig (k < 10-6 m/s) und filterstabil gegenuber dem Schotter und dem Unterbau bzw. Untergrund sein. Die Dicke der Planumschutzschicht betragt in der Regel 30 cm. Die Dicke der Frostschutzschicht einschlieBlich der Planumschutzschicht wird nach Frosteinwirkungsgebieten festgelegt und betragt z. B. fur durchgehende Hauptgleise 0,5-0,7 m. Die Verdichtungsanforderungen sind aus Abb. 12.6 ersichtlich. Bei weichem Untergrund kommt auch hier der Einsatz von Geokunststoffen in Betracht (s. Abschn. 12.3.3 und EBGEO, Abschn. 6.3). Mit zunehmenden Achslasten und Geschwindigkeiten unterliegt der Schotteroberbau einer verstarkten Verschmutzung und mechanischen Zerstorung, was einen deutlich erhohten Instandhaltungsaufwand erfordert. Fur Fahrgeschwindigkeiten uber 200 km/h wird deshalb weitgehend die sog. Feste Fahrbahn (FF) eingesetzt. Bei der Festen Fahrbahn wird die durch die Schotterbettung bedingte labile Auflage durch eine Tragschicht aus Beton (BTS) oder Asphalt (ATS) in eine dauerhaft stabile Lage gebracht. Mit dieser Ausbildung sollen der Fahrkomfort verbessert und die spateren Instandhaltungskosten minimiert werden. Die Anforderungen an die Tragschichten des Unterbaus und an den Untergrund sind in einem "Anforderungskatalog zum Bau der Festen Fahrbahn" (AK FF, Ausgabe 1995), in der RiL 836 (1999/2002) und bei DARR & FIEBIG (2006) zusammengestellt. Danach soll der Untergrund bis 4m Tiefe unter Schienenoberkante (SO) keine bindigen Boden mit Ie < 0,5 (sehr weich) aufweisen. Der Katalog definiert auBerdem einen
111111111111 zusehen. Immer Mufiger werden deshalb Damm12 schiittungen und Bauwerkshinterfullungen durch-
_12_._4_F_r_os_t_w_ir_ku_n~g_____________________________________________________3_3_7___ erhohten Erkundungs- und Untersuchungsaufwand. Der hochstmogliche Grundwasserstand darf nieht hoher als 1,5 m unter SO ansteigen, urn Walkerscheinungen durch dynamische Beanspruchung zu vermeiden. Bei der Festen Fahrbahn ist eine Gleislagekorrektur durch Unterstopfen der Gleise nicht mehr moglich. Erddamme sind deshalb so fruh zu schutten, dass die Setzungen des Untergrundes und die Eigensetzungen weitestgehend abgeklungen sind. Die zu erwartenden Restsetzungen durfen ab Beginn des Einbaus der Festen Fahrbahn 10-15 mm nicht uberschreiten. Sind in Dammabschnitten gro6ere Restsetzungen zu erwarten, so sind besondere Ma6nahmen vor-
gangig mit hydraulisehen Bindemitteln stabilisiert, urn die Eigensetzungen des Schiittkorpers zu minimieren (s. Abschn. 14.2). Auch bei Gelandegleichlage oder in Einschnitten konnen anteilige Entlastungshebungen oder Quellhebungen des Erdplanums auftreten, die eine stabilisierte Tragschicht (SCHULZ et al. 2004) bzw. einen Bodenaustausch und im Bedarfsfall zur Verhinderung von Wasserzutritten auf dem Planum des Bodenaustausehpolsters auch eine Dichtschicht erforderlieh machen. Auch die Ubergange von Briicken oder Tunneln zu Erdbauwerken erfordem besondere Ma6nahmen (s. Abschn. 12.2.6).
33
tandsicher •I Standsicherheit von Boschu Boschungen gen
In und hinter jeder Boschung treten infolge Eigenlast und moglicher auBerer Belastungen Schubspannungen auf, die bei An- oder Einschnitten von den in Kapitel 10 diskutierten Entlastungseffekten sowie den Auswirkungen horizontaler Restspannungen iiberlagert werden (Abb. 13.1). Diese Spannungen losen Deformationen aus, deren GroBenordnung yom Spannungszustand, dem Verformungsmodul und der Scherfestigkeit, besonders auf vorgegebenen Flachen, abhiingig ist und die bei einem entsprechenden Untersuchungsprogramm auch durch Bodenkennwerte belegt werden konnen (BURKLE & KUNTSCHE 2005). Diese Entlastungsverformungen konnen durch rechtzeitig eingebaute Extensometer (in vertikaler und horizontaler Richtung) bzw. Inklinometer (in horizontaler Richtung) in verschiedenen Ebenen gemessen werden (s. Abb. 5.20). Bei geringen rechnerischen Sicherheiten konnen solche Schubverformungen bzw. Kriechbewegungen (s. Abschn. 15.4) iiber Jahrzehnte anhalten. Wenn die Schubspannung die Scherfestigkeit auf ungiinstig liegenden Flachen iibersteigt oder diese infolge Entlastung und anhaltender Schubverformungen auf die Restfestigkeit abfallt (s. Abschn. 2.7.6), konnen Boschungsbriiche auftreten. Die Neigung und Standfestigkeit einer Boschung sind in erster Linie von der Gelandeform, dem geologischen Aufbau und den Wasserverhaltnissen abhangig. 1m Einzelnen sind folgende Faktoren zu beachten: Untergrundaufbau, Schichtung, Kliiftung (besonders GroBkliifte und Storungszonen), Spannungszustand, HangzerreiBung Scherfestigkeit (qJ, c), bes. auf Trennflachen zeitabhangige Entlastungs- und Spannungsanderungen, Alterung von Boschungen Sickerwasser in der Boschung Belastungen auf der Boschung Art der Boschungsbefestigung und des Bewuchses H. Prinz et al., Ingenieurgeologie © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011
Einwirkung der Witterung auf die Boschungsoberflache (Erosion, Frost, Verwitterung). Dariiber hinaus spielen fiir die Festlegung der Boschungsneigung noch folgende Faktoren eine Rolle, die Grundinanspruchnahme, Zwangspunkte durch vorhandene Bebauung, Planfeststellungsgrenzen, die Eignung der Abtragmassen als Erdbaustoffe und der Massenausgleich, der Zeitpunkt und die Dauer des Boschungsabtrags, vorbeugende MaBnahmen nach Abschn. 13.3 sowie auch die Inkaufnahme eines kalkulierten Risikos im Hinblick auf mogliche Rutschungen. AuBerdem miissen die Alterung von Boschungen sowie Unterhaltungsarbeiten und spatere SanierungsmaBnahmen beriicksichtigt werden. Bei einem Einschnitt ist die Boschungshohe (h) die Hohendifferenz zwischen Planum bzw. BoschungsfuB und dem Schnittpunkt der nicht ausgerundeten Boschung mit dem Gelande. Lockergesteinsboschungen haben in der Regel streng geometrische Formen. Felsboschungen sind aus landschaftsplanerischen Griinden moglichst unregelmaBig auszubilden (s. Abschn. 13.2). Die Boschungsneigungen werden zunachst nach den iiblichen Regelboschungen bzw. nach Erfahrungswerten festgelegt (s. a. DIN 1054-101, Abs. 2.5). Bei Boschungsneigungen bis 45° (1 : 1) ..::/
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Abb. 13.1 Rechnerisch ermittelte Kriechverformungen einer B6schung (einfaches theoretisches Modell).
13 Standsicherheit von Boschungen
340
geschieht dies als Verhaltniszahl (1:1; 1:1,25 [= 40°], 1:1,5 [= 33°], 1:2 [= 26°)), bei steileren Boschungen in Gradangaben, seltener in Verhaltniszahlen (Abb. 13.3). Anhaltswerte uber Boschungsneigungen enthalten auch die Erdbaurichtlinien der Deutschen Bahn AG (1999/2002). Boschungen bis 10 m Hohe werden in der Regel nach der Geotechnischen Kategorie GK 2 behandelt, daruber hinaus nach GK 3 (s. Abschn. 5.2). Weitere Einstufungskriterien fur GK 3 sind eine Kriechtendenz oder die Gefahr von SetzungsflieBen sowie Erdbebeneinfluss. Fur Boschungen in GK 2 ist der Nachweis der Standsicherheit nach DIN 4084 mit den Nachweisverfahren GEO 3 zu erbringen. In bindigen Boden werden hiiufig ab 5 m BoschungshOhe Standsicherheitsberechnungen gefordert. Rechenverfahren und Teilsicherheitsbeiwerte s. Abschn.
13.1.1 Grobkorn ige Boden In grobkornigen Boden wird die Boschungsneigung (/1) in erster Linie vom Reibungswinkel (cp) bestimmt, der seinerseits wieder von der KorngroBenverteilung, der Kornform und von der Lagerungsdichte abhangig ist. Die Boschungshohe spielt eine untergeordnete Rolle. Allgemein gelten fur grobkornige Boden folgende Anhaltswerte fur die Boschungsneigung: Bodengruppe
Boschungs h6he
Boschungsneigung
GW, GI, SW, SI
< 10 m > 10m
1 : 1,5 1: 1,5-1 : 1,8
GE,SE
< 10m > 10m
1 : 1,8 1 : 1,8- 2,0
5.7.
Bei hOheren FelsbOschungen kann die Boschungsform auch bei sorgfaltiger Vorerkundung nicht immer exakt im Voraus angegeben werden. Deshalb ist wahrend der Bauausfuhrung eine standige Beratung zweckmaBig, wobei mit Anderungen von den angenommenen Gegebenheiten aufgrund ortlicher Abweichungen gerechnet werden muss. Hierbei sind besonders das Trennflachengefiige und die Wasserfuhrung in der Boschung zu beachten.
13.1 Boschungsneigungen in lockergesteinen Nach den Richtlinien fur die Anlage von StraBen (RAS) sollen Boschungen ab 2 m Hohe eine einheitliche Boschungsneigung von 1:1,5 erhalten, mit Ausrundung am Dbergang zwischen Boschung und Gelande. Wenn diese Regelneigung aus geologischen oder erdstatischen Grunden nicht ausgefuhrt werden kann, konnen in Abhiingigkeit von der Bodenart und der Boschungshohe abweichende Boschungsneigungen angegeben werden. Dies ist besonders bei als rutschungsanfallig bekannten Schichtpaketen zu beachten (s. Abschn. 13.4 und 15.6). Vorab unbedacht festgelegte Regelneigungen haben schon ofters zu erheblichen Mehraufwendungen gefuhrt (QUICK et a1. 2004).
Voraussetzung ist, dass die Boschungen einigermaBen frei von Sickerwasseraustritten sind und keine bindigen Zwischenlagen auftreten, die als Gleitflachen wirken konnen. Unterschiede in der Kornverteilung, besonders aber Zwischenlagen mit schluffig-tonigen Beimengungen, konnen wasserstauend wirken und zu Sickerwasseraustritten fuhren. Besonders Feinsande tertHiren Alters, aber auch anderer Formationen, weisen haufig schluffige Lagen oder oft nur Millimeter dicke Tonlagen auf, die schon bei geringer Schichtneigung zu Boschungsbruchen fuhren konnen. In solchen Fallen sind Abflachungen gegenuber den oben genannten Boschungsneigungen oder sonstige SicherungsmaBnahmen zu empfehlen.
13.1.2 Feinkornige Boden
L...--
Bei bindigen Boden, deren Bruchscherfestigkeit T entsprechend der MOHR-CouLoMB'schen Bruchbedingung T=
c' + cr· tan qf
vom Reibungswinkel cp, der Kohasion c und der Normalspannung (J (s. Abschn. 2.7) bestimmt wird, ist die zuHissige Boschungsneigung sehr stark von der BoschungshOhe abhangig. Allgemeingilt:
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13.1 Biischungsneigungen in Lockergesteinen
Bodengruppe
8iischungsh6he
Boschungsneigung
UL, UM, TL
6 m.
1: 1,5 bis 1: 2
Diese Werte gelten fUr homogene, leicht- bis mittelplastische Boden von mindestens steifplastischer Konsistenz, ohne ungiinstig einfallende Schicht- oder Kluftflachen und ohne wasserfiihrende Schichten. Als soIche konnen z. B. schon starker feinsandig-schluffige Lagen iiber oder in starker tonigen Schichten wirken. Bei starker plastischen Boden (TM, TA) spielt die Kohasion eine entscheidende Rolle. Ihre Wirkung ist bei langzeitlichen Standsicherheitsbetrachtungen, insbesondere bei Vorhandensein von Schichtflachen oder quelWihigen Tonmineralen, mit Vorsicht anzusetzen. Die oben genannten Boschungsneigungen sind dann haufig sehr steil, zumal gerade in tonigen Boden gerne Oberboden- oder Flachrutschungen auftreten. Besonders in tektonisch oder durch Verwitterungsbzw. Umlagerungsvorgange gestorten Tonen konnen Trennflachen verschiedener Art auftreten, auf denen ein Abfall der Scherfestigkeit, besonders der Kohasion zu verzeichnen ist. Boschungsneigungen in soIchen Boden sollten daher nicht steiler als 1:2 angelegt werden.
13.1.3 Gemischtkornige Boden Bei gemischtkornigen Boden kiinnen folgende Boschungsneigungen angesetzt werden: 8iischungsneigung
80dengruppe GU,GT
GU·, GT", SU, ST, SU·, ST"
10
1: 1,5 bis 1: 1,B
20 m
Kippenmaterial
8oschungsneigung
< 5 Jahre
1: 1
> 5 Jahre
1: 1,5
< 5 Jahre
1: 1,5
> 5 Jahre
1 :2,5
< 20 m
1: 2
>20 m
1: 4
Wenn rutschungsanfallige Schichten vorliegen, die Boschungen im Einflussbereich des Grundwassers stehen (besonders Grundwasserseen) oder zu schiitzende Objekte vorliegen, sind in jedem Einzelfall Standsicherheitsberechnungen nach Abschn. 5.7 vorzunehmen. Bei den Anforderungen fiir die Standsicherheit von Abbauboschungen im Festgestein ist grundsatzlich zu unterscheiden zwischen den in Betrieb befindlichen Boschungen und den Endboschungen nach dem Einstellen der Abbautatigkeit. Nach dem Einstellen der Abbautatigkeit ist vom Steinbruchbetreiber ein Zustand herzustellen, bei dem von den Boschungen keine Gefahrdung der bffentlichkeit ausgehen darf. Bei Festgesteinsboschungen ist im Allgemeinen bis zu einer Boschungshohe von 15 m eine Neigung bis zu 60° zulassig, wenn
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die Lockergesteinsiiberdeckung standsicher ist, kein Grundwassereinfluss vorhanden ist und keine ungiinstig ausstreichenden Trennflachen bzw. deren Verschneidungen vorliegen. Andernfalls sind Standsicherheitseinschatzungen auf der Grundlage von Erfahrungen und Analogieschliissen vorzunehmen bzw., wenn die vorliegenden Rechenannahmen es ermoglichen, Standsicherheitsnachweise nach Abschn. 5.7.6 zu fiihren. Bei Unterwasserboschungen in Baggerseen entspricht die Boschungsneigung eines durch Baggerarbeiten oberflachig aufgelockerten rolligen Bodens anfangs seinem Reibungswinkel und kann fiir einen kiesigen Sand mit 1:1,5 (= 33,6°) angenommen werden. 1m Laufe der Zeit verflacht eine solche Boschung unter der Einwirkung der Grundwasserstromung sowie von Wasserbewegungen durch Baggerbetrieb und Wind auf 1:2 bzw. im Endzustand 1:3, was einer Endboschung unter Wasser von tan f3 = 0,5 tan cp entspricht. Allgemein gelten fiir UnterwasserbOschungen in Baggerseen folgende Erfahrungswerte (FLOSS 2006): Kies
1 : 1,5 bis 1 : 2
Grobsand
1: 3 bis 1: 4
Mittel- und Feinsand
1: 5 bis 1:8
Bei Fragen des zuliissigen Grenzabstandes der Abbauboschungen von der zu schiitzenden Grundstiicksgrenze ist dariiber hinaus ein Freistreifen vorzusehen, der eine ausreichende Gewahr fiir den Bestand der angrenzenden Grundstiicke bietet. Ein solcher Grenzabstand von 5 m ist auch in den einzelnen Lander-Bodenabbaugesetzen verankert. Fiir die Rekultivierung von Sand- und Kiesgruben sowie anderen Erd- und Gesteinsaufschliissen konnen die Richtlinien der Landesstellen fur Naturschutz und Landschaftspflege sowie die Richtlinie fUr die Gestaltung und Nutzung von Baggerseen des Deutschen Verbandes fiir Wasserwirtschaft und Kulturbau (DVWKRegel W108/1992) herangezogen werden.
3
14
Sta ta dsicherhe-t dsicherheet und n Ve formung von vo Dammen Verformung a-- m n
Damme und auch Halden bzw. Kippen als Relikte von Abbautatigkeiten (Abschn. 16.7) sind Erdbauwerke, die den Untergrund belasten und an deren Boschungsflachen Spreiz- und Schubspannungen auftreten. Dementsprechend miissen gewisse Standsicherheitsbedingungen erfiillt sein, urn schadliche Verformungen zu verhindern: Grundbruchsicherheit Gleitsicherheit Sicherheit gegen Boschungsbruch Dammsetzungen. Erddamme bis 3 m Hohe auf tragHihigem Untergrund sind nach DIN 1054-101 (E 2009) als Geotechnische Kategorie GK 1 zu behandeln, dariiber hinaus als GK 2 (s. Abschn. 5.2). Die entsprechenden Untersuchungsmethoden sind in Abschn. 5 beschrieben. Hier sollen nur davon abweichende Einflussfaktoren behandelt werden. Damme auf stark geneigtem Gelande oder auf wenig tragfahigem Untergrund erfordern in der Regel eine Zuordnung nach GK 3 mit entsprechend erhohtem Untersuchungsaufwand. Wie bei Einschnitten, sind auch bei Dammboschungen vom Schiittmaterial abhangige Regelboschungen iiblich, deren Boschungsneigungen den Angaben im Abschn. 13.1 entsprechen. Zu den Dammbaustoffen und ihrer Verdichtbarkeit siehe Abschn. 12.2.1.
sich in einem Einsinken eines Dammabschnitts und mit Hebung des Untergrundes vor dem Dammfu6 (Abb. 14.0. In der Praxis wird die Grundbruchuntersuchung fUr Damme meist als Gleitkreisuntersuchung nach Abschn. 5.7.3 ausgefiihrt. Infolge der meist breiten Dammaufstandsflache reicht die Grundbruchfigur verhaltnismamg tief. Bei begrenzter Tiefe der weichen Schicht verlauft die Grundbruchfigur entlang der Grenzschicht zum tragfahigeren Untergrund, so dass nur ein Teil des Dammkorpers von einem moglichen Grundbruch erfasst wird. Die Breite des betroffenen Dammabschnitts ergibt sich aus dem Reibungswinkel der weichen Schicht und ihrer Machtigkeit. Bei moglichen vorgegebenen Gleitflachen im Dammuntergrund sind deren Raumlage und die ggf. abgeminderten Scherfestigkeiten zu beachten. Die Anfangsstandsicherheit von Dammen ist au6erdem mit der undranierten Scherfestigkeit (cJ zu ermitteln (s. Abschn. 2.7.6 ). Zur Standsicherheit von Dammen auf wenig tragfahigem Untergrund siehe Abschn. 14.1.4.
14.1 Standsicherheit von Dammen L 14.1.1 Grundbruchsicherheit Grundbruch eines Dammes infolge zu geringer Tragfahigkeit des Dammuntergrundes au6ert H. Prinz et al., Ingenieurgeologie © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011
Abb. 14.1 Grundbruchfigur und zerstorter Dammkorper nach einem Grundbruch eines 10 m hohen Dammes auf nicht tragfahigen Untergrund.
356
14
14.1.2 Gleit- bzw. Spreizsicherheit
14 Standsicherheit und Verformung von Dammen
L •
Die Schubkraft S in Dammsohle betragt
S=O,5·y·H 2 ·tan 2 ( 45°_ cp'/2) H = Dammhohe q/ = Reibungswinkel des Dammschiittmaterials y = Wichte des Schiittmaterials. Die in Dammsohle auftretenden Schubspannungen miissen von der Scherfestigkeit des Materials in der Sohlfuge aufgenommen werden (Abb. 14.2). Die Ermittlung der Gleit- und Spreizsicherheit von Dammen kann auf der Grundlage der Scherfestigkeit des Untergrundes und des Dammschiittmaterials an hand von Tabellen (BRAUNS 1980) oder mit Rechenprogrammen erfolgen.
14.1.3 Sicherheit gegen Boschungsbruch Boschungsbriiche ohne oder mit geringer Verformung des Untergrundes werden ausgelost durch Spannungsiiberschreitung bei zu steiler Boschungsneigung, durch zu geringe Scherfestigkeit im Untergrund oder durch Auftreten von Stromungsdruck bei eingestauten Dammen. Die Ermittlung der Sicherheit gegen Boschungsbruch erfolgt nach den Berechnungsmethoden des Abschn. 5.7. Bei Dammen aus nichtbindigem Material ohne ungiinstige au6ere Einfliisse ergibt sich die Boschungsneigung /3 vereinfacht aus tan /3= y . tan cp' q/ = Reibungswinkel des Schiittmaterials
y= 1,25 (Sicherheitsfaktor). Bei bindigem Schiittmaterial sind Gleitkreisuntersuchungen erforderlich, wobei bei Boden mit q/ > 5° davon ausgegangen werden kann, dass die ungiinstige Lage der Gleitflache durch den Boschungsfu6punkt geht. Fiir gemischtkomiges Dammschiittmaterial bringen GUSSMANN &
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Abb. 14.2 Schematische Darstellung der Schubspannungen unter einem Damm, hier mit ReibungsfuB.
SCHAD (1996) dafiir ein Standsicherheitsdiagramm. Liegt unter dem Damm eine weiche Schicht geringer Scherfestigkeit, so geht die Gleitlinie nicht mehr durch den Boschungsfu6punkt, sondem beriihrt die Sohlflache der weichen Schicht (s. Abschn. 14.1.1). Regelboschungen von 1: 1,5 erfordem bei Ansatz der Sicherheitsbeiwerte nach DIN 1054 (s. Tab. 5.3) mit Y'l" und Yc = 1,25 bereits Scherfestigkeitswerte q/ = 32,5°, c' =0, was entsprechend hochscherfestes Schiittmaterial und gute Verdichtung voraussetzt. Bei Schiittmaterialien, deren Scherfestigkeit nur wenig iiber den o. g. Werten liegt, treten sowohl in der Rechnung als auch in der Praxis flache Gleitkreise mit ungeniigenden Sicherheiten auf. Diese Gleitkreise haben eine Tiefenwirkung von 1 bis 3 m und zahlen zu den flachen Hautrutschungen, den en durch eine entsprechend gute Verdichtung der Boschungsbereiche entgegen gewirkt werden muss. Durch Zwischenschalten von 3 m breiten Bermen in Abstanden von etwa 8 m kann eine 1: 1,5 geneigte Boschung auf eine Gesamtneigung von 1: 1,8 abgeflacht werden. Die Standsicherheit von Boschungen kann durch die Einlage von Geogittern gem. Abschn. 12.3.3 wesentlich verbessert werden (Abb. 14.3). Die Geogitterbahnen werden je nach Bodenart in Abstanden von 50 bis 100 em, also etwa jede zweite Schiittlage, iiberlappend eingelegt und ermoglichen wesentlich steilere Boschungen bis hin zu geokunststoffbewehrten Stiitzkonstruktionen mit Frontelementen aus Fertigteilen. Die Bauweise wird auch als kunststoffbewehrte Erde (KBE) bezeichnet. Die Bemessung erfolgt nach EBGEO, Abschn 3 und 7. Geokunststoffbewehrte Konstruktionen weisen relativ geringe Verformungen auf, die au6erdem zu 70 bis 80% schon wahrend des Baus auftreten (HEROLD 2007). tiber den Einsatz solcher Systeme berichten VOLLMERT et a1. (2008) und ALEXIEN (2007).
357
14.1 Standsicherheit von Dammen
111111111111111111 ~
SchOttmalenai ;" y. = 20 kNlm' '!I', d 29.3
-
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welcher Unlergrund Yld = 15 kNIm 9.2d
C. 2d
=0 0
= 16 kNlm2
Abb. 14.3 Verbesserung der Standsicherheit durch eine Geogitterlage in der Dammbasis (aus EBGEO E 2009).
14.1.4 Oamme auf wenig L tragfahigem Untergrund Unter wenig tragfahigen Schichten i. S. des FGSV-Merkblatts von 1988 werden quartare, sehr setzungsfahige Boden mit hohem Wassergehalt verstanden, die nie zuvor einer groBeren wirksamen Normalspannung ausgesetzt waren. Dazu gehoren vor allen Dingen organogene Schluffe und Tone (Schlick, Klei) oder organische Boden (Faulschlamm, Torf) und auch junge Seetone oder Beckenschluffe (s. Abschn. 3.2.4 und 10.2). Dazu kommen junge Auffullungen, auch Deponien und sonstige Kippen oder Spulflachen. Sofern solche Boden unter der Dammaufstandsflache aus wirtschaftlichen oder technischen Grunden nicht entfernt werden konnen, sind besondere MaBnahmen bei der Planung und Bauausfiihrung notwendig. Grundsatzlich ist zu beach ten, dass der weiche Untergrund nicht im unmittelbaren Einfluss der dynamischen Krafte und Schwingungen aus dem Verkehr liegen darf, da die hierdurch verursachten Untergrundverformungen in der Regel zu einer Zerstorung des Verkehrsweges fiihren, da sich ihre Masse in einem ungunstigen Verhaltnis zu dem mitschwingenden weichen Untergrund befindet. Deshalb muss sichergestellt sein, dass die dynarnischen Einwirkungen aus dem Verkehr in einem ausreichend dicken, yom Grundwasser unbeeinflussten Massekorper oberhalb des weichen Untergrundes kompensiert werden. Dies kann durch eine entsprechende Sandschuttung erfolgen. Ab 2 m Dicke der Gesamtkonstruktion
wirkt sich bei StraBen die Verkehrsbelastung nicht mehr wesentlich auf den Untergrund aus (ZTVE-StB 09). Der Verkehrsweg unterliegt nur den Eigenverformungen und den durch die Dammlasten erzeugten ungleichmaBigen Untergrundverformungen. Wenig tragfahiger, weicher Untergrund zeigt folgendes Verformungsverhalten: Unmittelbar mit der Lastautbringung entstehen ein Porenwasseruberdruck und dreidimensionale volumenkonstante Schubverformungen, die sich als Grundbruch mit seitlichem Ausweichen bemerkbar machen (Abb. 14.1). Da das Porenwasser keine Schubspannungen ubertragen kann, hangt die Anfangsstandsicherheit und die GroBe der Sofortsetzungen des Dammes maBgeblich von der Anfangsscherfestigkeit Cu des weichen Untergrundes abo Durch anfangliche Zusammendruckung nimmt Cu zu (s. FGSV-Merkblatt 1988). Die Tab. 14.1 gibt Anhaltswerte fur Cu im Vergleich zur Gesamtscherfestigkeit nach Abbau des Porenwasseruberdrucks (Endfestigkeit). Die Anfangsstandsicherheit fur eine groBtmogliche anfangliche Schiitthohe kann mit Hilfe von Diagrammen aus dem FGSV-Merkblatt (1988) oder einer Netztafel von SIEDEK & DIESLER (in FLOSS 1997:420) ermittelt werden. Aus der Netztafel ergibt sich Z. B., dass ein Damm mit 6 m Hohe und einer Boschungsneigung von 1: 1,5 bis 1: 2 erst standsicher ist, wenn die Anfangsfestigkeit der weichen Schicht Cu = 40 kN/m 2 betragt (vgl. dazu Tab 14.1). Bei ausreichender Standsicherheit ist immer noch mit erheblichen und Z. T. lang dauernden Setzungen zu rechnen, die sich aus der Sofortset-
14
358
14 Standsicherheit und Verformung von Dammen
Tabelle 14.1 Scherfestigkeitsparameter Cu und cp' fOr erstkonsolidierte, weiche Boden fOr Vorkalkulation (aus FLOSS
1997).
Bodenart
Cu [kN/m2)
cp' [a)
Torf
5 bis 25
5 bis 15
Mudde
5 bis 15
5 bis 15
Faulschlamm
5 bis 15
10 bis 20
Seekreide
10 bis 30
20 bis 25
Auelehm
20 bis 30
25 bis 30
Klei, stark sandig
25 bis 40
25 bis 30
Klei, stark organisch
10 bis 25
15 bis 25
zung so, der Primarsetzung SI und der Sekundarsetzung S2 zusammensetzen (s. Abschn. 5.5.3.5). Die Sofortsetzung tritt zum gro6ten Teil wahrend der Schiittung auf und entsteht durch Verdrangung des weichen Bodens und Kompression der Porenluft. In der Primarsetzungsphase baut sich anfanglich ein Porenwasseriiberdruck auf, der durch Konsolidation allmahlich abgebaut wird. Nach dieser Erstverdichtungsphase folgt die Sekundarsetzung. Berechnungsmoglichkeiten fiir die einzelnen Setzungsphasen enthalt das FGSVMerkblatt (1988). Die Horizontalverformungen in dem weichen Untergrund betragen je nach Dammauflast und Steifigkeit des Untergrundes etwa 10 bis 15% der primaren Dammsetzungen und konnen seitlich iiber 20 m weit reichen. Sie klingen in der Regel mit den Primarsetzungen abo Mit gro6eren Horizontalbewegungen ist nur in sehr weichen tonigen Boden und bei beginnenden Bruchzustanden zu rechnen, In solchen Fallen ist es erforderlich, die Verformungen und die Porenwasserdriicke im Untergrund wahrend und nach dem Schiittvorgang zu kontrollieren. Die hierzu notigen Messungen sind in dem FGSV-Merkblatt (1988) beschrieben. Die Standsicherheit von Dammen auf wenig tragfahigen Untergrund kann durch die Einlage einer Geokunststoffbewehrung in der Dammbasis deutlich erhoht werden. Die Setzungen werden dadurch zwar nicht verringert, wohl aber vergleichmaBigt (EBGEO, Abschn. 4 ).
14.2 Setzungen von Dammen auf tragfahigem Untergrund Bei gegebener Standsicherheit miissen die Setzungen abgeschatzt und die Setzungsdauer, die notig ist, urn den gro6ten Teil der Setzungen wahrend der Bauzeit abklingen zu lassen, angegeben werden. Dabei ist zu beach ten, dass die Sekundarsetzungen lange nachwirken und zu Fahrbahnunebenheiten fiihren konnen, Besonders daraufhinzuweisen ist auch, wenn nachtragliche Grundwasserabsenkungen nicht auszuschlie6en sind, durch welche die Setzungen erneut aktiviert werden konnen (s. Abschn. 6.2.2). Aufgrund der gro6en Belastungsflache von Dammen reichen die Spannungen bis in gro6e Tiefe. Die Erkundungstiefe unter Dammen muss daher mindestens 6 bis 10 m betragen, bei tief reichenden setzungsfahigen Schichten bis in eine Tiefe, die der vereinfachten Sohlbreite b entspricht (Abb. 14.4). Die vertikalen Spannungen in der Sohlfuge (0') betragen
O'=H·y y= Wichte des Dammschiittmaterials
b
Abb. 14.4 Spannungsverteilung in Dammsohle und im Dammuntergrund.
359
14.2 Setzungen von Dammen auf tragfahigem Untergrund
und nehmen unter den BoschungsfHichen entsprechend der Boschungshohe abo Die Ermittlung der Spannungsverteilung im Untergrund erfolgt fur die schlaffe Belastungsflache eines Dammkorpers nach den Tafeln von STEINBRENNER (s. Abschn. 5.5.2). Urn das Setzungsverhalten eines Dammes genau zu erfassen, muss die Setzungsberechnung fiir verschiedene Punkte des Dammquerschnitts (Dammmitte, Dammschulter, Dammfug) unter Beriicksichtigung der gegenseitigen Beeinflussung der verschiedenen Spannungen (s. Abschn. 5.5.3) erfolgen. Fiir einfachere Falle kann die mittlere Gesamtsetzung eines Dammes nach der Annahme fiir die vereinfachte Sohlbreite b und der vollen Sohlspannung a = y . H mit Hilfe der Tafeln von STEINBRENNER ermittelt werden. Setzungsberechnungen von Dammen unterliegen wegen der gragen Tiefenwirkung und den damit verbundenen Schwierigkeiten in der Einschatzung der Spannungsverteilung und des Steifemoduls den in Abschn. 5.5.3.4 diskutierten Unsicherheiten in verstarktem Mage. Leider liegen auch wenig Setzungsbeobachtungen mit Grundpegeln in der Dammaufstandsflache und Tiefenpegeln (Extensometer) in vorher abgeteuften Bohrungen vor. Dies gilt auch fiir das Zeitsetzungsverhalten des Dammuntergrundes. Allgemein kann davon ausgegangen werden, dass in nichtbindigen und normal konsolidierten bindigen Boden 60 bis 80% der Gesamtsetzung innerhalb von einigen Wochen bis Monaten auftreten. Die Setzungen von iiberkonsolidierten bindigen Boden konnen dagegen iiber viele Monate anhalten und Verformungen der fertigen Fahrbahn bewirken. Ein Dammkorper erleidet auger dies en Untergrundsetzungen immer eine gewisse Eigenkonsolidation, die yom Dammschiittmaterial, der Verdichtung und der Dammhohe abhangig ist. Sie betragt bei guter Verdichtung 0,2 bis 1,0% der Schiitthohe und klingt einige Monate nach der Dammherstellung aus. Rechnerisch konnen die Eigenverformungen eines ordnungsgemag verdichteten Dammkorpers nach der Formel
(y in MN/m 2, h in m, Es in MN/m2,
SE
in m)
oder vereinfacht nach der empirischen Funktion SE
=
0,025 . h2 (h in m; SE in em)
ermittelt werden (s. a. SCHULZ 1999). Infolge dieser doch erheblichen und auger bei gut abgestuftem Kiesmaterial praktisch nicht ganz vermeidbaren Eigensetzungen von hohen Dammen diirfen hochgesetzte Widerlager nur bei entsprechender Stabilisierung der Erdbaustoffe mit Zement O. a. flach in der Dammschiittung gegriindet werden (Abb. 14.5) Bei zu steilen Boschungen, ungiinstigem Schiittmaterial und besonders bei geneigtem Dammauflager oder weichem Dammuntergrund konnen die Konsolidationssetzungen auch von merkbaren Horizontalverformungen im Dammkorper und in der Oberzone des Dammuntergrundes begleitet sein. Schlecht verdichtete Damme konnen Eigensetzungen bis zu 5% der Schiitthohe erfahren, die iiber Jahre anhalten konnen. Der direkte Nachweis solcher mangelhafter Verdichtung ist manchmal schwierig. In verhaltnismaBig locker gelagerten Dammschiittungen aus gemischtkornigen Bodenarten (Tonstein-, Sandsteinmaterial) bringt die iibliche Entnahme von Sonderpraben eine Nachverdichtung und zu hohe Dichtewerte, so dass hier Sondierungen zuverlassigere Werte liefern.
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""----''-----'60,...---- 20 m Tiefe
sehr tiefe Rutschungen.
Die Form und Tiefenlage der Gleitflache sind Grundlage jeder weiteren Bearbeitung. Erste Anhaltspunkte daftir erhiilt man aus den morphologischen Gegebenheiten. Mit der Aufnahme des oberen Hangabrisses und des Ausbisses einer Rutschung nach Abschn. 15.2.1 sind zwei Punkte der Gleitflache bekannt und es liegen auch erste Hinweise vor, wie steil oder flach sie einfallt bzw. ausstreicht. Innerhalb der Rutschung wird die Gleitflache dann nach den Ergebnissen der Aufschlussbohrungen festgelegt, die jedoch haufig keine eindeutige Aussage erlauben. Oft liegen auch mehrere Gleitflachen tibereinander, die sich in ihrer Wirkung erganzen oder ablosen konnen. Die einzelnen Gleitflachen mtissen nicht immer tiber die ganze Lange anhalten. Dies ist besonders bei sehr tief reichenden oder langsamen Bewegungen der Fall. Ftir die endgtiltige Festlegung der Tiefenlage der Gleitflache und des Versagensmechanismus sind Bewegungsmessungen erforderlich. Die von vornherein in Anpassung an den zu erwartenden Bewegungsmechanismus gezielt angesetzt werden mtissen (POISEL et al. 2007). Die an der Gelandeoberflache gemessenen zweidimensionalen und besonders die raumlichen Bewegungsvektoren geben nicht nur Aussagen tiber das Be-
wegungsmaB, sondern auch erste Angaben tiber Tiefenlage und Form der Gleitflache (Abb. 15.43). Widersprtichliche Einzelergebnisse der Bewegungsvektoren zeigen an, dass der Bewegungsablauf und -mechanismus einer Rutschung noch nicht richtig erfasst ist und der Bewegungsmechanismus neu durchdacht werden muss. Mit automatischen Messeinrichtungen konnen jeweils auch permanente Oberwachungseinrichtungen installiert werden (BAUMANN 1990 und Abschn. 15.5.6). Relative Bewegungsmessungen erfolgen in einfachen Fallen tiber Lattengestelle, die waagerecht angebracht, eine Messung der Vertikal- und Horizontalverschiebungen in bestimmten Zeitabstanden ermoglichen. In steilem Gelande (Abrissspalten) und bei Blockbewegungen konnen auch Messungen mit Felsspionen bzw. mit zwischen den Blocken fest installierten Drahtextensometern vorgenommen werden. Die Neigung von einzelnen groBeren Blocken kann mittels mobiler oder stationarer Neigungsmessgerate gemessen werden. Absolute geodatische oder fotogrammetrische Messungen ermoglichen ein Bild tiber die raumliche und zeitliche Verlagerung von Festpunkten auf der Oberflache der Rutschmassen. Die Anordnung der Festpunkte erfolgt auf der Grundlage des bisherigen Kenntnisstandes (Rutschungskartierung, zu erwartender Bewegungsmechanismus) und nach den ortlichen Gegebenheiten. Die Messgenauigkeit der einzelnen Messverfahren S. Tabelle 15.2. Eine Punktverschiebung gilt im Allgemeinen dann als real, wenn tiber mehrere Messungen hinweg eine Tendenz erkennbar ist oder wenn sie das 3-fache der Messgenauigkeit tiberschreitet. An steilen Felswanden kann zur Beobachtung der raumlichen und zeitlichen Veranderungen der Wandgeometrie auch ein terrestrischer Laserscanner (TLS) eingesetzt werden. Die Methode liefert detailgenaue Aufzeichnungen der Wandflache, die bei Wiederholungsmessungen alle Veranderungen an der Wand erkennen lassen (KUHN & PRUFER 2009). Mit Hilfe des Global Positioning System (GPS), dessen ziviler, Offentlich zuganglicher Teil seit 2000 freigegeben ist, konnen tiber mobile oder feste GPS-Empfanger Punkte im Gelande in ihrer Lage auf den Meter und in der Hohe auf wenige Millimeter genau ermittelt werden. Das
379
15.2 Erkennungsmerkmale und Untersuchungsmethoden Tabelle 15.2 Obersicht Qber verschiedene Messverfahren (nach HERMSMEYER et al. 2008) Messverfahren
Messgenauigkeit
Bemerkungen
Nahbereich bis 120 m
- 0,5 mm
Aufmessung und Absteckung, Prazisionsmessungen fUr Distanzen bis zu 1 km
Winkelmessung (horizontal, vertikal)
1 mmj200 m
stark von Refraktion abhangig
Prazisionsnivellement
0,3 mm/ 1 km Doppelnivellement
automatisierte Digitalnivelliere zum Bestimmen relativer und absoluter Hohenunterschiede
differntielles GPS/GNSS
5mm
Himmelsfreiheit notwendig
Nahbereichsphotogrammetrie
0,5 mm/abhangig vom
fOr die Erfassung von Flachenparametern
elektrooptische Distanzmessung
Biidmassstab
europaische System "Galileo" ist nicht vor 2014 zu erwarten. In den letzten Jahren wird in der Literatur auch die SAR-Interferometrie, eine satellitengestiitzte Fernerkundung mittels Synthetik Apertur Radar (SAR) als geeignetes, wenn auch kostenaufwendiges Instrument zur Fertigung digitaler Gelandemodelle sowie zur Dberwachung von groBflachigen Bodenbewegungen zwischen zwei oder mehreren Aufnahmezeitpunkten propagiert. Verwendet werden in der Regel SAR-Daten der europaischen Fernerkundungssatelliten ERS 1 oder ERS 2, die seit 1991 Daten liefern. Voraussetzung sind langzeitstabile Objektpunkte, sog. Persistent Scatterer (PS), wie sie an Gebauden oder anderen kiinstlichen Objekten, auch groBeren Felspartien, vorliegen. Wurde ein Gebiet aus nahezu identischer Position zu unterschiedlichen Zeiten aufgenommen, so konnen auch riickwirkend Veranderungen erfasst werden. Landwirtschaftliche Flachen und solche mit veranderbarer Vegetation ohne PS sind weniger geeignet. Bei giinstigen Bedingungen liegen die horizontalen Auflosungen im Sub-Meterbereich, die Hohenmessgenauigkeit angeblich im Millimeterbereich (BENECKE et al. 2007; RIEDMANN 2007; BAMLER et al. 2008 und Abschn. 19.4.4). Bei sehr geringen, geodatisch kaum erfassbaren BewegungsmaBen sind Inklinometermessungen (Abschn. 4.8.4) bzw. Messungen mit dem TDR-System (SINGER & THURO 2007; FESTL et al. 2009) die zuverlassigsten Methoden, nicht nur die Bewegungen zu erfassen, sondern auch die
Tiefenlage der Gleitflache bzw. von Differenzbewegungen zu erkennen. Die Auswertung erfolgt meist relativ, d. h. unter der Annahme, dass sich der unterste Punkt des Messrohres nicht verschoben hat (s. Abb. 15.lO). Der Aufwand von absoluten geodatischen Messungen ist betrachtlich, so dass sie meist nur in groBeren zeitlichen Abstanden durchgefiihrt werden konnen. Sie stellen damit nur Momentaufnahmen in gewissen Zeitabstanden dar, die keine Interpretation des Bewegungsablaufes dazwischen ermoglichen. Bewegungsmessungen werden entweder in regelmamgen Zeitabstanden (Monate oder Jahre) bzw. entsprechend den rutschungsfordernden Faktoren, wie z. B. nach jedem Friihjahr oder nach niederschlagsreichen Perioden, vorgenommen. Hangbewegungen verlaufen selten iiber langere Zeit konstant, sondern zeigen instationares, haufig zyklisches Verhalten, das meist von externen Faktoren abhangig ist. Die groBten Bewegungsraten treten gewohnlich im Friihjahr oder im Friihsommer auf bzw. sind auf niederschlagsreiche Jahre beschrankt. Aus einer detaillierten Auswertung der raumlichen Entwicklung der Verschiebungen der einzelnen Festpunkte konnen auch einzelne Homogenbereiche oder Aktivitatszonen mit unterschiedlicher Bewegungscharakteristik abgegrenzt werden (HE ITFELD et al. 2005; POISEL et al. 2005). Die Erfahrung lehrt, dass Gleitflachen in der Regel flacher verlaufen als vielfach angenommen wird, und sich fast immer nach geologisch vorge-
15
380
15
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15 Rutschungen
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Abb.15.10 Integrierte Verschiebungen eines Inklinometermessrohres in zwei Achsrichtungen. Messreihenvergleich verschiedener Messungen.
gebenen FHichen richten, anstatt nach theoretischen Gleitkreisen. Nur Gro6rutschungen, die teilweise unter morphologisch anderen Bedingungen eingetreten sind, weisen oft sehr tief liegende Gleitflachen auf.
15.2.6 Altersdatierung und Bewegungsablauf Rutschungen sind, wenn die geologischen, morphologischen und klimatischen Voraussetzungen gegeben waren, zu allen Zeiten der Erdgeschichte aufgetreten. Eine genaue zeitliche Einordnung ist sehr schwierig, da echte Datierungshilfen in Form von Radiokarbondatierungen (an Fossilien, Holzresten, Pollen, Kalkausscheidungen u. a. m.) selten vorliegen oder auch zu wenig untersucht werden. Au6erdem ist die Anwendung der C4_ Methode auf ein Maximalalter von 40 000 bis 50000 Jahren begrenzt. In der Regel ist man letztlich auf palaoklimatische Betrachtungswei-
sen und geomorphologische Merkmale angewiesen. Mitte der 1990er Jahre wurden mehrfach geomorphologisch-chronologische Untersuchungen vorgenommen, die bessere Datierungsmoglichkeiten erwarten lassen. Abb. 15.11 zeigt eine solche Altersdatierung einer Gro6rutschung in der Schweiz, deren alte Gleithorizonte bis in eine Tiefe von 38 m erbohrt worden sind. Die Bewegungen von 1994 fanden auf solchen alten Gleithorizonten statt. Die "landschaftsgenetisch altesten" Rutschungen eines Gebietes k6nnen schon unmittelbar im Anschluss an die gebirgs- oder landschaftsbildenden Vorgange durch gravitatives Abgleiten ganzer Schollen aufgetreten sein. Sie werden aufgrund der Schichtverstellungen haufig als tektonische Schollen gedeutet (s. v. POSCH INGER 1998 und Abb. 15.12). In den europaischen Mittelgebirgen werden sehr alte Rutschungen, die unter anderen morphologischen Bedingungen aufgetreten und heute im Gelande kaum noch zu erkennen sind, allgemein in das Pleistozan datiert. Sie werden
15.2 Erkennungsmerkmale und Untersuchungsmethoden
Tiefe In Metem
Prolil
Tiefe und Cl4·Datierung
o
381
1I1mm
750 I
I
,. -2,1 m, 2400 +1- 30 BP
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10
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,. -14,4m 2800 -.-,- 40 BP -15.7m 4880
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,. ·11,5m 3020 +.70 BP
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15
Verschiebungen Glen· Horilonte 0
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auch als fossile Rutschungen bezeichnet (KLENGEL & PASEK 1974: 129). Dazu gehOrt z. B. die FuBschollengeneration ACKERMANNS (1959). Wo soIche sehr alten Rutschungen im h6heren Teil die Hange noch erhalten sind, sind sie durch periglaziale Formungsvorgange sehr stark uberpragt und oft kaum noch erkennbar. Ein groBer Teil der noch mehr oder weniger deutlich erkennbaren alten Rutschungen ist wahrscheinlich jungeiszeitlich, beziehungsweise fallt in die fruhe Nacheiszeit, d. i. vor 8000-12000 Jahren. Dazu gehoren z. B. tiefreichende, talzuschubartige Entlastungsbruche durch die jiingste Talerosion, deren Erkennen an den meist nur schwach ausgepragten morphologischen Merkmalen oder in Bohrungen auBerst wichtig ist, da sie bei Eingriffen in das Hanggleichgewicht leicht wieder in Bewegung kommen konnen. In dieser Zeit sind sieher auch viele tiefreichende Massenbewegungen an alpinen Talflanken ausgelost worden, als mit dem Ruckzug der Gletscher die stiitzende Wirkung des Eises verloren gegangen ist (s. Abschn. 15.3.1). Neuerdings wird die Zunahme von Massenbewegungen an alpinen Talflanken mit dem Anstieg der Temperaturen in der Nacheiszeit differenzierter betrachtet, da nach heutigem Kenntnisstand die Anstiegskurve
~
______
~
Abb. 15.11 Alte Gleithorizonte und ihre C-14 Datierung der GroBrutschung Falli Holli (Schweiz). Rechts die Ergebnisse neuerer Bewegungsmessungen (nach RAETZO-BRULHART (1997: 158).
der Temperaturen nach der letzten Vereisung wesentlich komplexer verlaufen ist, als bisher angenommen wurde. Bei der zeitlichen Einschiitzung der nacheiszeitlichen Rutschungen sind die einzelnen nie-
~.-.---
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Abb. 15.12 Schematische Darstellung des Anfangsstadiums einer Rotationsrutschung in einem Schichtgestein und Luftaufnahme einer solchen Rutschung im Grand Canyon, USA (Foto PRINZ).
382
derschlagsreichen Perioden zu beriicksichtigen. Danach ist vor allen Dingen das Atlantikum, also die Zeit vor etwa 8000 bis 5000 Jahren teilweise sehr niederschlagsreich gewesen. Besonders landesweit verbreitete, vergleiehbare grofSere Massenverlagerungen miissen mit solchen klimatischen Perioden im Zusammenhang gesehen werden. Die landschaftsformenden geomorphologischen Prozesse waren zu dieser Zeit weitgehend abgeschlossen, so dass die Rutschungsformen meist recht deutlich erkennbar sind. Seit diesem europaweit ausgepragten Klimawandel sind noch mehrfach niederschlagsreiche Perioden zu verzeichnen gewesen. Solche Jahre, die mit zahlreichen mittelalterlichen Rutschungsereignissen in Verbindung gebracht werden, sind 1096, 1342 sowie 1709 und 1720-1730 bzw. insgesamt in der sog. kleinen Eiszeit von 1400 bis 1850. Besonders in den Jahren 1783/84 und 1816 haben weltweit extreme Niederschlagsverhaltnisse geherrscht, ausge16st durch Vulkanausbriiche bzw. durch die infolge Aschenauswurfverringerte Sonneneinstrahlung. Auch in der Jetztzeit sind immer wieder niederschlagsreiche Jahre mit verstarkten Rutschungsaktivitaten aufgetreten (z. B. 1946, 1956, 1965, 1977, 1981, 1987 und 2002). KLENGEL & PASEK (1974) bezeichnen Rutschungen, die unter den gegenwartigen klimatischen und morphologischen Bedingungen entstanden sind, als rezente Rutschungen. Sie sind definitionsgemafS in den letzten Jahrhunderten « 1000 Jahre) aufgetreten. Beim zeitliehen Abschatzen jiingster morphologischer Rutschungsformen ist zu beriicksiehtigen, dass Rutschungen oft keine einmaligen Ereignisse sind, sondern iiber Jahrhunderte oder Jahrtausende hinweg immer wieder in Bewegung gewesen sein konnen. Aktive Rutschungen sind noch mehr oder weniger in Bewegung. Auch hierbei ist zu beriicksiehtigen, dass es sich meist nicht urn Erstrutschungen handelt, sondern urn alte Bewegungsmechanismen, die in Abhangigkeit von den Niederschlagen anhaltende oder periodische Bewegungen unterschiedlieher GroBe aufweisen konnen. Falls kiinftig merkbare Niederschlagsanderungen auftreten, muss mit erhohter Aktivitat solcher Rutschungen gerechnet werden. Fiir die Altersbestimmung jiingerer Rutschungen kann aufSer dem Zustand ihrer Oberfla-
15 Rutschungen
chenformen auch der Versatz quartarzeitlicher Zeitmarken, wie Terrassenablagerungen oder Bodenbildungen, herangezogen werden bzw. die Storung von menschlichen Einrichtungen, wie Wege, Feldraine, Baumreihen und auch das Alter und der Zustand ihres Baumbestandes (s. Abschn. 15.2.2). Die Frage nach der Gefahrdungssituation ist bei Rutschungen oft aufSerst schwer zu beantworten (s. Abschn. 15.5.6). Die meisten aktiven Rutschungen sind keine Erstereignisse, sondern sind seit Jahrhunderten oder Jahrtausenden mehrfach aufgetreten. Alte GroBrutschungen zeigen haufig eine Wiederkehrperiode von mehreren hundert Jahren bis iiber tausend Jahre (Abb. 15.11). Die Wiederkehrperioden und die damit verbundene statistische Eintrittswahrscheinlichkeit (in %) konnen, ausgehend von einem menschlichen Beobachtungszeitraum von 50 Jahren wie folgt eingeteilt werden: sehr selten < 15 %
>300 Jahre
selten 15- 40%
100 bis 300 Jahre
mittel 40-80%
30 bis 100 Jahre
hiiufig > 80 %
2 m) mit einer Gesamtsturzmasse von < 5 m 3 (HAFNER 1993; KRAUTER 1996: KRAUTBLATTER & MOSER 2005 und Abschn. 13.3.1). Berg- und Felsstiirze werden definiert als das Ablosen eines Gesteinspakets aus dem Gebirgsverband, das wahrend des Sturzes und beim Aufprall in Blocke und Steine zerfallt, die mit hoher Geschwindigkeit (Sekunden oder wenige Minuten) aus Bergflanken niedergehen und eine gewisse Flache einnehmen. Unterschieden werden Felsstiirze mit meist 100 bis mehrere 100000 m 3 Absturzmassen und die groBeren Bergstiirze ab etwa 1 Mio. m 3• Urn eine Felssturzgefahrdung zu bewerten, miissen folgende Daten erhoben werden (NEUMANN & BAUER 2005): Geologie und Morphologie des Abbruch- und des Ablagerungsgebietes historische Daten friiherer Ereignisse Geomechanik der Ablose- und Sturzprozesse externe Einfliisse als Ausloser. Bei der Abschatzung des Sturzvorganges und seiner Reichweite sind die Diimpfung des Untergrundes, die Rauhigkeit der Gelandeoberflache und der Bewuchs (Waldbestockung) zu beriicksichtigen. Sturzprozesse konnen sich zu jeder Jahreszeit ereignen, besonders aber in den jahreszeitlichen Frost-Tau-Zyklen. Ais externe Einfliisse kommen auBerdem Starkregenereignisse, und Erdbeben in Betracht. Entscheidend ist immer die Situation direkt im Abbruchgebiet. Der mit hoher Geschwindigkeit ablaufende Verlagerungsprozess bewirkt eine starke Zerbrechung des Materials. Die Transportdistanzen konnen auch bei geringem Gefalle mehrere km betragen. In den bayerischen Alpenregionen hat man versucht, Richtlinien zur Ermittlung von potenziellen Gefahrdungsbereichen durch Felssturzereignisse zu erarbeiten (NEUMANN & BAUER 2005). Bei den Gelandeaufnahmen ist besonders auf sog. stumme Zeugen zu achten, d. S. reliktische Blocke, noch frische Abloseflachen oder Bewegungsspuren als Hinweise auf vorausgegangene Ereignisse.
385 1m Hinblick auf die derzeitige Bergsturzgefahr ist in den vergangenen Jahren durch den rasanten Gletscherschwund in den alpinen Regionen eine deutliche Zunahme derartiger Ereignisse festzustellen. Mit dem Riickzug der Gletscher entfallt der Druck auf die seitlichen Felswande. Durch die dadurch ausgeloste Hangentspannung bilden sich zunehmend Risse im Fels, bis sich dann ein Felssturz entwickelt. Ein Beispiel dafiir sind die Felssturzereignisse am Eiger im Berner Oberland in den Jahren 200512006, wo der Grindelwaldgletscher seit etwa 25 Jahren urn 25 m an Hohe verloren hat. Bergstiirze werden unterteilt in kleine Bergsrurze (bis 10 Mio. m 3 ), groBe Bergstiirze (1050 Mio m 3 ) und sehr groBe Bergsrurze (> 50 Mio. m 3 ). In Hochgebirgen und in Mittelgebirgen mit steiler Morphologie treten immer wieder Bergsrurze auf. Sie konnen eine Landschaft nachhaltig verandern. AuBer den unmittelbaren Folgen durch den Bergsturz selbst konnen dabei eine Talverdammungen und Wasserriickstau auftreten und, wenn die inhomogen aufgebauten Sturzmassen instabil werden, talabwarts auch Oberflutungen oder Schuttstrome bzw. Murgange. Zu den zuganglichen Bergstiirzen in den Alpen, die teilweise soIche Talverdammungen bewirkt haben, zahlen u. a. die Ereignisse vom Eibsee bei Grainau (Zugspitze), von Flims im Vorderrheintal, vom Tschirgant, vom KOfel im Otztal und von Mallnitz. Diese groBen Bergstiirze, die bisher als spatglazial bis friihpostglazial datiert waren, werden heute als wesentlich jiinger eingestuft (v. POSCHINGER & HAAS 1997). Die bekanntesten alpinen Bergstiirze der letzten Jahrzehnte sind der Bergsturz in den VajontStausee bei Longarone von 1963 (s. Abschn. 18.2.8) und der Felssturz im Veltlintal von 1987 (BECKER & LITSCHER 1988). Nach tagelangen Regenfallen stiirzten Ende Juli 1987 etwa 50 Mio. m 3 Gesteinsmassen von den Hangen des Pizzo Copetto ab und begruben zwei Ortschaften unter sich, die zum Gliick evakuiert waren, so dass nur 20 Todesopfer zu beklagen waren. Der Bergsturz war so gewaltig, dass die abgerutschten Massen am Gegenhang 400 m hochbrandeten und sich im Tal ein 40 m hoher Damm aufgebaut hat. Die dahinter gestauten Wassermassen mussten mit groBem Aufwand abgeleitet werden. Weltweit treten Fels- bzw. Bergstiirze besonders im Zusammenhang mit Erdbeben auf. Einer
5
386
der folgenschwersten Felsstiirze der letzten Jahrzehnte mit 20 Toten ereignete sich im Februar 1996 auf der japanischen Insel Hokkaido, als ein Felsblock von 50 000 t auf den Einfahrtsbereich eines Tunnels stiirzte. Ein ahnlicher Felssturz ereignete sich 2006 in der Schweiz an der Zufahrt zum Gotthard -Tunnel. Mehrere zimmergroBe Felsblocke stiirzten aus groBer Hohe auf die Autobahn und eine KantonstraBe. Ein Pkw wurde getroffen, die beiden Insassen waren tot. Die gefahrdete Felswand wurde abgesprengt. Weitere Fachaufsatze und Literaturhinweise iiber Bergstiirze s. HEINIMANN et al. 1998 und Felsbau 2004: 2. Von den deutschen Mittelgebirgen beschreiben KRAUTER (1973,1996) sowie KRAUTER et al. (1979, 1993) einige felssturzahnliche Rutschungen aus dem Rheinischen Schiefergebirge, besonders in aufgelassenen Steinbriichen (s. Abschn. 15.6.1).
15.3.2 Kippen Kippbewegungen mit Vorwartsrotation aus dem Hang treten vor allen Dingen an Steilwanden kompetenter Gesteinskomplexe auf. Besonders gefahrdet sind Hartgesteine auf plastifizierbarer tonig-mergeliger Unterlage. Dieses Versagensprinzip "hart auf weich" ist als Anfangsbewegung zahlreicher GroBrutschungen weit verbreitet. Beispiele werden im Abschn. 15.6 beschrieben. Auch die Erscheinungen der HangzerreiBung sind gelegentlich mit einem groBraumigen Kippversagen verbunden.
Abb. 15.14 Typ einer Translationsrutschung in einem Schichtgestein (a us ZARUBA & MENCL
1969).
15 Rutschungen
15.3.3 Gleiten Die Grundtypen von Gleitungen sind Block- oder Schollenbewegungen auf vorgegebenen Trennflachen. Die Rutschungsoberflache bleibt oft relativ ungestort. Bei den Gleitungen werden dann verschiedene Untertypen unterschieden, deren gemeinsames Merkmal Bewegung auf einer Gleitflache unterschiedlicher Konfiguration ist. Die Form der Gleitflache wird dadurch vorgegeben, wo gerade die Scherfestigkeit entsprechend niedrig oder der Einfluss des Grundwassers besonders ungiinstig sind. Ebene Gleitfliichen (sog. Translationsrutschungen) sind Bewegungen auf vorgegebenen Trennflachen (haufig Schicht- oder Schieferungsflachen) oder sonstigen Schwachezonen, und zwar bevorzugt an der Grenze von kompetenten zu inkompetenten Gesteinen (Ton stein zwischenlagen). Am haufigsten treten Gleitungen in veranderlichfesten Schichtgesteinen und in metamorphen Schiefern auf (Abb. 15.14). Translatiosrutschungen konnen groBe Flachen einnehmen und z. T. auch erhebliche Machtigkeit erreichen. Die Bewegung kann auf einer oder mehreren Flachen stattfinden, die sich gegenseitig ablosen oder erganzen konnen (BRAUTIGAM et al. 1989). Besonders in diinnbankigen oder geschieferten Gesteinen sind stufenartig absetzende Gleitflachen oder -zonen weit verbreitet und wirken haufig im Sinne eines progressiven Bruchs (s. Abb. 15.29). Bei groBeren Gleitungen kann sich hinter der Rutschungskrone ein keilformiger Block grabenartig einsenken, der dann einen zusatzlichen Schub auf den Rutschkorper ausiibt.
387
15.3 Arten von Rutschungen, Klassifikation
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Abb. 15.16 Aus einer anfanglichen Gleitung hat sich eine Schuttstromrutschung (a) und ein Schuttkegel (b) entwickelt (nach ZARUBA & MENCL 1969). Abb. 15.15 Grundtypen von kreisfiirmigen und abgeflachten Rotationsrutschungen.
sehr komplexe Gerollstrom- oder Schuttstromrutschungen entwickeln (Abb. 15.16). Kombinierte Rutschungen sind ebenfalls weit verbreitet, wobei besonders viele GroBrutschungen (auch fossile Rutschungen) zu diesem Typ gehoren. Die Gleitflache ist aus unterschiedlich gekriimmten und ebenen (meist vorgegebenen) Bruchflachen (Schichtung, Verwitterungszone, Kliiftung, Storungen) zusammengesetzt (s. Abb. 15.17). Hierbei tritt gewohnlich eine starkere Zerr- und Scherbeanspruchung der Rutschmassen auf. Bei groBerer Horizontalbewegung entsteht am oberen Abriss haufig eine typische Grabenbildung.
SchalenfOrmige Gleitflachen (sog. Rotationsrutschungen, Abb. 15.15) sind ebenfalls ein haufig anzutreffender Typ. In homogenem Material ist die Gleitflache haufig angenahert kreisformig. Bei ausgepragter Rotationsbewegung sind die bewegten Massen begrenzt und wenig durchbewegt. Bei Rutschungen in der Verwitterungszone und bei zur Tiefe hin fester werdendem Untergrund verlauft die Gleitflache meist flachschalig bzw. unter Ausnutzung vorhandener Trennflachen auch blockartig oder treppenfOrmig, was zu den kombinierten Rutschungen iiberleitet. Bei groBerer Horizontalbewegung tritt dabei eine starkere Beanspruchung der Rutschmasse auf. In Hanglage konnen sich bei entsprechendem Wasseranfall aus anfanglichen Gleitbewegungen
15.3.4 Driften Unter Driften versteht man die Bewegung von Felsmassen durch oder bei Einsinken in eine
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Abb. 15.17 Typ einer mehrfach ruckschreitenden Rutschung in einer Sandstein/Tonstein-Wechselfolge.
388
15 Rutschungen
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Abb. 15.18 Driften von Sandsteinb6cken (a = Labiatus-Sandstein) auf Lehmgrund-Mergel (b) im Elbsandsteingebirge (a us JOHNSEN 1984). c = liegende Sandsteine; d = plastifizierte Merge!.
plastifizierbare Unterlage nach dem Versagensprinzip "hart auf weich" (Abb. 15.18). Dem Driften gehen meist Kippbewegungen voraus. Die Gesteinsblocke losen sich an vorgegebenen Trennflachen und driften auf der tonigen Unterlage abo 1m Pleistozan sind derartige Hangbewegungen besonders in den Auftauperioden aufgetreten. Hangabwarts gehen die Bewegungen in Blockkriechen von Z. T. "schwimmenden" Einzelblocken in tonigen Schuttmassen iiber. Beispiele werden im Abschn. 15.6 beschrieben.
15.3.5 FlieBen Beim FlieBen handelt es sieh urn sehr unterschiedlieh schnelle Bewegungen von aufgeweichten Bodenmassen mit Gesteinsschutt bzw. Gerollen aller KorngroBen. Das FlieBverhalten ist nieht nur von der Bodenart und dem Wassergehalt abhangig, sondern auch yom GefUge und der Struktur (Beispiel Quicktone). FlieBvorgange ergeben lang gestreckte, gelappte oder murenartige Formen, innerhalb derer haufig Viskositatsbewegungen mit linearen Bewegungsflachen erkennbar sind. Der Vorgang des FlieBens wird allgemein mit hohen Wassergehalten (Wasser: Feststoffe = 1 : 1) in Zusammenhang gesehen, was auch fUr die meisten FlieBvorgange zutrifft. Es haben sieh jedoch auch FlieBereignisse zugetragen, bei denen der Wassergehalt der bewegten Massen sehr niedrig war. Das Verfliissigungsmedium sind in diesen Fallen Lufteinschliisse gewesen und der
meist sehr schnell ablaufende Bewegungsvorgang spielte sich aller Wahrscheinlichkeit nach auf einem komprimierten Luftpolster ab (SHARP & GLAZNER 1993). Bei den FlieBvorgangen wird zwischen Schuttbzw. Gerollstromrutschungen und Erd- bzw. SchlammflieBen unterschieden. Gerollstromoder Schuttstromrutschungen enthalten einen relativ hohen Prozentanteil grobkornigen Materials (80%) wahrend Erd- oder Schlammstrome mindestens 50% Sand-, Schluff- und Tonmaterial enthalten. Ausloser alpiner Schuttstrome, die sich vorher iiber Jahrzehnte in kriechender Bewegung mit sehr unterschiedlichen Bewegungsraten befunden haben konnen, sind haufig Bergstiirze an instabilen Talflanken, Erdbeben, Extremniederschlage oder menschliche Eingriffe. In Gebieten mit rezenter Tektonik mit jungen Hebungen und Z. T. 1000 m hohen iibersteilten Hangen sind solche Schuttstromrutschungen weit verbreitet und stellen eine permanente Gefahr dar. y. POSCH INGER (1992, 1993) beschreibt den Mechanismus eines Schuttstromes bei Inzell im Jahre 1991. Am Rande solcher Schuttstrome kommt es infolge unterschiedlicher Bewegungsgeschwindigkeit innerhalb des Stromes vielfach zu wallartigen Aufpressungen. In Mittelgebirgen konnen sich solche Gerollstrome auch aus Wandabbriichen in aufgelassenen Steinbriichen mit Wasserfiillung entwickeln (KRAUTER et al. 1979). Auch Halden- und Kippenrutschungen entwickeln sieh haufig zu Stromrutschungen (s. Abschn. 13.1.5). In den Bergen wirken Starkniederschlage (von Z. T. iiber 200 mm in 24 Stunden) an Abhangen
15.3 Arten von Rutschungen, Klassifikation
und in Gerinnen erodierend und es werden haufig zahlreiche, oft nur kleine Rutschungen ausgelost, die sich zu Murgangen entwickeln konnen. Diese bestehen aus einem heterogenen Gemisch von Wasser und 30 bis 60% Feststoffanteil unterschiedlicher KorngroBen und auch Wurzelstocken oder Baumstammen. An der Front eines Murganges befinden sich in der Regel vermehrt groBe Blocke. AuBer diesen "Gerinne-Murgangen" konnen sich an steilen Hangen bei hohen Wasseranfall flachgriindige Hangmure entwickeln. Ihre Auslosung erfolgt meist anlasslich von Starkniederschlagen oder bei intensiver Schneeschmelze. Die Bewegungsmechanismen in Muren sind noch nicht vollig geklart. Obwohl sie einen vom Wasser ausgelosten Abflussvorgang darstellen, sind ihre Fronten oft relativ trocken. Auch kommen die trotz hoher FlieBgeschwindigkeiten teilweise nach wenigen Zehnermetern zum Stehen. In Gerinnen konnen sich auch groBere Murgange entwickeln, z. T. mit sehr groBen Reichweiten bis hinunter auf die Schwemmkegel vorangegangener Ereignisse. Das bekannte Phlinomen der Solifluktion ist ein ± langsames FlieBen oberflachennaher Bodenschichten bei Wasseriibersattigung, wobei im Pleistozan Hangneigungen von 2° bis 4° ausgereicht haben, die Bewegungen auszulOsen. Quicktonrutschungen sind eine Sonderform in den marinen Quicktonen des Spat- und Postglazials in Norwegen, England und Kanada. Die Ursachen sind eine erhohte Empfindlichkeit soIcher schwach konsolidierter mariner Tone gegeniiber hydrostatischen Wechselbelastungen oder Erschiitterungen, die zu einem thixotropen Gefiigezusammenbruch und quasiviskosen FlieBbewegungen fiihren (s. Abschn. 2.7.4). Kriechen wird als Sonderform des FlieBens angesehen. Es ist eine iiber langere Zeitraume anhaltende, langsame meist unstete, zeitabhangige Verformung bei ± gleich bleibender Spannung bzw. ohne Lastanderung, die sowohl in Locker- als auch in Festgesteinen auftreten kann. Bei entsprechenden Kontrollmessungen kann man in vielen Fallen ein Grundkriechen und kurzzeitige Bewegungsschiibe aufgrund von Starkniederschlagsereignissen unterscheiden. Die BewegungsmaBe betragen mm- bis cmBetrage pro Jahr und hinterlassen im Gegensatz zu anderen Rutschungstypen kaum merkbare
389 Formveranderungen in der Landschaft (Lit. s. PRINZ 1997). In der Praxis sind zu unterscheiden das Tiefkriechen von Festgesteinen instabiler Talflanken (Talzuschub, BergzerreiBung) und Kriechbewegungen von Schuttmassen und der obersten Auflockerungszone. Kriechbewegungen von Schuttmassen, die auch die oberste Auflockerungs- bzw. Anwitterungs zone mit erfassen konnen, treten besonders in tonigen Gesteinen auf. Beim Oberflachenkriechen werden zunachst witterungsbedingte Volumenanderungen, d. h. Quell- und Schrumpfvorgange infolge Temperatur- und Wassergehaltsanderungen, von einer horizontalen Bewegungskomponente iiberlagert. In der Auflockerungs- und Anwitterungszone findet dariiber hinaus unter der standigen Einwirkung von Schubspannungen entweder eine bruchlose kontinuierliche Verformung oder ein diskontinuierliches Kriechen mit Gleitvorgangen auf zahlreichen kleinen Trennflachen statt. Kriechbewegungen der oberflachennahen Schichten sind nicht nur eine fossile Erscheinung, sondern auch rezent weiter verbreitet als allgemein angenommen wird (KRAUTER 1973). Unter Schuttstromkriechen versteht man unmerklich langsame Bewegungen von Gesteinsschuttmassen in Hangdepressionen als Vorlaufer oder Zwischenstadium von FlieBbewegungen. Bei langsamer Bewegungsgeschwindigkeit « 1 m/a) bleibt die in der Regel baumlose Vegetationsdecke erhalten. Das Tiefkriechen von Festgesteinen instabiler Talflanken bzw. die Talzuschuberscheinungen sind seit den Arbeiten von STINI (1941) bekannt. Es handelt sich urn z. T. tiefreichende (> 100 m) Kriech- bzw. Scherbewegungen in Gleitzonen oder an Trennflachen verschiedenster Art mit und ohne Zwischenmittel, wobei besonders bindige Storungs- und Kluftfiillungen oder Schichtbzw. Schieferungsflachen mit niedriger Scherfestigkeit die Kriechbewegungen begiinstigen (s. Abb. 15.19). Die sehr differenzierten Bewegungsablaufe und der Mechanismus sind im Einzelnen noch unzureichend bekannt. 1m Wesentlichen handelt es sich urn von auBeren Faktoren beeinflusste, schwerkraftbedingte Bewegungen auf geologisch vorgegebenen Flachen. In der osterreichischen Literatur wird fiir soIche Bewegungen, die nach der Tiefe ausklingen und keine deutliche basale Gleitflache aufweisen, der
15
390
Abb. 15.19 BergzerreiBung (1) und Talzuschub (2) eines alpinen Talhanges (aus KRAUTER 1996).
yom englischen "Sagging" abgeleitete Begriff Sackungen verwendet (KOHLER 1985; MOSER 1993). Nach neuer Definition (s. Abschn. 15.2.1) wird der Begriff der Sackung auch auf andere vergleichbare Rutschungsarten verwendet. Diese Begriffsanwendung entspricht aber in beiden Fallen nicht der Definition gemaB Abschn. 5. Folge solcher tiefreichender Kriechbewegungen sind die Phanomene der Bergzerrei6ung, wie Zerrspalten und HangzerreiBungskliifte, Doppelgrate in den hoheren Hangbereichen oder hangparallel verlaufende Nackentalchen (SCHOBER 1991), die nieht nur bis in die Gipfelregionen reichen konnen, sondern teilweise am Gegenhang ausstreichen (Abb. 15.4). Dariiber hinaus sind die Erscheinungen des Talzuschubs haufig auch an der Hangmorphologie erkennbar mit konkaven, von Rissen und Spalten durchsetzten Formen (Dilatanz, Massenverlust) im hoheren Teil der Hange und konvexen, vorgewolbten Formen des Massenzuwachses im unteren Teil, wobei die einzelnen Abschnitte in Teilschollen mit sehr unterschiedlicher Auspragung zerlegt sein konnen. 1m Obergangsbereich liegen oft talbodenartige Verebnungen vor, die z. T. bevorzugte Siedlungsflachen darstellen (Abb. 15.19). Die charakteristischen Besonderheiten dieser Form von Massenbewegungen sind die ausgepragte Zeitabhangigkeit der Bewegung bzw. von Bewegungsanderungen. Eine anhaltende Beschleunigung kann die Annaherung an den Versagenspunkt bedeuten. Derartige instabile Talflanken mit langsamen Kriech- und Gleitbewegungen (Bewegungsraten von einigen Zentimetern bis mehrere Meter pro
15 Rutschungen
Jahr, meist 5-10 cm/a) ohne Gefahr plotzlicher Kollapsmechanismen, sind in alpinen Gebieten weit verbreitet. Besonders betroffen sind metamorphe Gesteine (Phyllite, Gneise, Schiefer) und z. T. auch Sedimentgesteine (MOSER 1993). Einige dieser Talzuschiibe stellen eine direkte Gefahr fiir Siedlungen (z. B. Gradenbach/Karnten), Talsperren (Gepatschspeicher/Tirol) oder FernstraBen (Reppwand-Gleitung/Karnten) dar. Derartige Gro6hangbewegungen treten nicht nur an alpinen Hangen auf, sondern sind als mehr oder weniger fossile Bewegungsformen auch in vielen Mittelgebirgshangen verborgen. Die geologischen Voraussetzungen fiir solche groBraumigen Massenbewegungen sind starke tektonische Gebirgszerlegung, ungiinstig einfallende Schicht- oder Schieferungsflachen mit partiell abgeminderter Scherfestigkeit sowie tief greifende Entspannung durch Talbildung oder auch Auslaugungsvorgange in den unteren Hangbereichen. GroBhangbewegungen zeigen in der Regel ein sehr komplexes Bewegungsbild mit einer Uberlagerung von rotationsfOrmigen und translationsformigen Bewegungen, teilweise verbunden mit Kriechbewegungen. Der rezente Bewegungsablauf wird weitgehend von auBeren Faktoren bestimmt, vor allen Dingen den Niederschlagssummen und der Hohe des Grundwasserspiegels. Hange von Stauraumen bediirfen einer besonders kritischen Untersuchung und Kontrolle (WEISS 1964; MULLER 1967; NEUHAUSER & SCHOBER 1970 - s. a. Abschn. 18.2.8). Bekannt geworden sind solche Talzuschubbewegungen in den 60er Jahren am Gepatschspeicher im Kaunertal. Beim ersten Aufstau 1964/65 sind hier Gesamthorizontalbewegungen bis zu 10,8 em gemessen worden. Danach haben sich die Bewegungen deutlich verlangsamt und betrugen in den Jahren danach etwa 3,5 cm/a. 1m Zusammenhang mit dem Tiefkriechen und dem Talzuschub ist auch auf die AufwOlbung plastischer Schichten in Talsohlen als Folge der Entspannung im Tal und unter Auflast der angrenzenden Hange hinzuweisen (Abb. 15.20). Der Grenzdruck, ab dem Tone plastisch ausgequetscht werden konnen, liegt haufig nur bei 400 bis 600 kN/m 2 , was einer Steilboschung von 20 bis 30 m Hohe entspricht. Hinzu kommen Schubverformungen durch den Horizontalspannungsanteil, besonders bei niedriger Schichtfla-
391
15.4 Berechnungsansatze und Diskussion der Scherparameter
15
Abb. 15.20 Aufw61bung plastischer Ton(steine) in der Talsohle (aus
chenreibung. Plastische Verformungen von Tonsteinen in der Talsohle und die hangwartigen leichten Verkippungen sind bei gunstigen Aufschlussverhaltnissen nicht selten nachweisbar (ZARUBA & MENcL 1961: 271; REIK 1985: 104). Zu beach ten sind die abgeminderten Festigkeiten derart beanspruchter bzw. verformter, meist toniger Gesteine (s. a. Abb. 15.38).
15.3.6 Komplexe Rutschungstypen Viele Rutschungen weisen nicht nur einen Bewegungstyp auf, sondern bestehen aus mehreren der beschriebenen Rutschungstypen (Fallen, Kippen, Gleiten, Driften, FlieBen). Diese Rutschungen werden nach der internationalen Nomenklatur als komplexe Rutschungen bezeichnet: Treten zwei oder mehr Bewegungstypen gleichzeitig in verschiedenen Teilen einer Rutschung auf, so wird diese als zusammengesetzte Rutschung angesprochen Zwei unmittelbar benachbarte Rutschungen gleichen Typs, die nacheinander aufgetreten sind, werden als sukzessive Rutschung bezeichnet Eine Mehrfachrutschung weist eine wiederholte Entwicklung des gleichen Bewegungstyps auf (Abb. 15.17}. Daruber hinaus werden in der im Abschn. 15.2.1 genannten internationalen Nomenklatur verschiedene Rutschungsaktivitaten unterschieden: In einer fortschreitenden Rutschung breitet sich die Gleitflache entgegen der Bewegungsrichtung hangaufwarts aus
ZARUBA
& MENCL 1961).
In einer sich vergroBernden Rutschung breitet sich die Gleitflache in zwei oder mehr Richtungen aus In einer sich verkleinernden Rutschung verringert sich das Volumen des verlagerten Materials. In einer beschrankt ausgebildeten Rutschung tritt zwar ein Abriss auf, am RutschungsfuB ist jedoch keine Gleitflache ausgebildet In einer sich fortsetzenden Rutschung bewegt sich die Rutschmasse ohne sichtbare Veranderung oder Gleitflache und des Volumens des verlagerten Materials In einer sich ausweitenden Rutschung breitet sich die Gleitflache in einer oder in beiden Flanken aus.
15.4 Berechnungsansatze und Diskussion der Scherparameter Die Berechnung von Rutschungen setzt die Kenntnis des Bruchmechanismus und des mechanischen Verhaltens der bewegten Masse unter dem Einfluss der abschiebenden und ruckhaltenden Krafte voraus. Fur eine umfassende Berechnung sind folgende Vorarbeiten erforderlich: Digitalisierung eines Hohenmodells mit Langsschnitt Festlegung der Geometrie der Rutschung und des Bewegungsmechanismus Geologisches Untergrundmodell und Festlegung der Eingangsparameter sowie ihre flachige Verbreitung
392
15
Auswahl des Berechnungsmodells Parameterstudien und Variation des Einflusses des Grundwassers (Ausloseschwellenwert) Vergleich verschiedener Modelle und deren Resultate Vergleich der Berechnungsergebnisse mit der Gelandebeobachtung (Verschiebungsvektoren). Grundvoraussetzungen fur die ublichen Berechnungsverfahren sind die Annahme einer Gleitflache und des Bruchzustandes. Diese Idealisierungen sind fur eine rechnerische Behandlung nach den Rechenansatzen des Abschnitts 5.7 unerlasslich. Die Rechenansatze werden femer als ebenes Problem behandelt, d. h., es wird allein ein Gelandeschnitt senkrecht zu den Hohenlinien und in der Ebene der Bewegung betrachtet. Diese Vereinfachung ist bei den geometrisch ebenen Boschungsrutschungen gut hinnehmbar, bei groBeren Gelandebruchen oder Hangrutschungen stellt sie dagegen eine stark vereinfachende Annahme der Umgebungsbedingungen dar. Raumliche Standsicherheitsberechnungen stecken noch in den Anfangen (GOLDSCHEIDER & LIZCANOPELAEZ 2003), genauso wie sog. mechanisch-hydrologische Modelle, bei denen die versickemde Niederschlagsmenge einbezogen wird, die notig ist, den Sicherheitsfaktor zu unterschreiten. Die Ausbildung bzw. der Verlauf der Gleitflache mussen mit Hilfe der beschriebenen Untersuchungsmethoden sowie notigenfalls mit Naherungsberechnungen ermittelt werden. Dabei kommt dem wirklichkeitsnahen Erfassen des geologischen und mechanisch-kinematischen Modells einer Rutschung groBere Bedeutung zu als der Genauigkeit technischer Berechnungen. Auf keinen Fall konnen fehlende ingenieurgeologische Informationen durch komplizierte und scheinbar genaue mathematische Methoden ersetzt werden. Treffen die ingenieurgeologischen Faktoren einer Rutschung zu, liefem oft auch einfache Berechnungsmethoden brauchbare Ergebnisse. Andererseits entziehen sich die im Abschn. 15.1 angefiihrten, oft minimalen auslosenden Faktoren jeder Berechenbarkeit, so dass die Berechnungsansatze fur Rutschungen immer Naherungsverfahren bleiben. Hinzu kommt, dass Rutschungsvorgange der niehtlinearen Dynamik zuzuordnen sind, bei welcher die Wirkungen nieht gradlinig von den Ursachen abhangen, son-
15 Rutschungen dem sie konnen sogar ruckwirkend diese selbst wieder beeinflussen. Nach Lage und Form der Gleitflachen konnen drei GrundfaIle unterschieden werden, die sich mit den ublichen Berechnungsmethoden erfassen lassen: Gerade oder ebene Gleitflache gekrummte Gleitflache (kreisformig oder polygonal) gebrochene Gleitflache (aus geraden oder gekrummten Teilabschnitten), auch Starrkorper bzw. Blockgleitungen. Bei vielen, auch flacheren Rutschungen konnen die wahrscheinlichen Gleitflachen noch durch Kreisausschnitte mit groBerem Radius einigermaBen erfasst und rechnerisch behandelt werden. In vielen anderen Fallen lassen sich die Abriss- und Gleitflachen auch durch gebrochene, aus kreisformigen und geraden Teilabschnitten zusammengesetzte Gleitflachen ersetzen. Mit dem Verfahren nach JANBU (1955) kann man praktisch jede beliebige Gleitflachenform berechnen (s. Abschn. 5.6.3). GOLDSCHEIDER & GUDEHUS (1974) und BICZOK (1997) arbeiten mit Bruchmechanismen aus gegeneinander beweglichen starren Bruchkorpem mit zusammengesetzt ebenen Gleitflachen. Damit konnen Teilschollenbewegungen innerhalb einer Rutschung erfasst werden. Bewegungen des FlieBens und Kriechens ohne definierte Gleitflachen sowie Entlastungsbruche nach Abschn. 15.2.6 und progressive Bruche lassen sich mit den konventionellen Rechenverfahren nicht erfassen, wohl aber z. T. mit numerischen Rechenmethoden (FE-Methode). Bei kompliziertem Untergrundaufbau oder starker angewitterten kluftigen Fels werden Standsieherheitsberechnungen oft weniger durch die Wahl des Berechnungsverfahrens beeinflusst als vielmehr durch die Annahmen uber die Boden- und Felskennwerte und uber eine mogliche Sickerwasserstromung. Der Einfluss dieser Parameter kann durch eine Sensibilitatsanalyse eingegrenzt werden, bei welcher aIle fur die Standsicherheit maBgebenden Faktoren entsprechend variiert werden: Scherfestigkeitsparameter, notigenfalls von einzelnen Abschnitten Ansatz dranierter bzw. undranierter Scherfestigkeiten
15.4 Berechnungsansiitze und Diskussion der Scherparameter
Einfluss von Hang- oder Sickerwasserstromung auf die Rutschmassen Verschiedene Modelle des Versagensmechanismus Verschiedene Sieherungs- und Stabilisierungsma6nahmen. Der Berechnungsgang (Abschn. 5.7) besteht in der Regel aus mehreren Schritten: Bei einer bereits eingetretenen Rutschung wird die Berechnung zunachst mit der angenommenen Gleitflache und den ermittelten Kennwerten sowie den iibrigen stabilitatsbestimmenden Parametern durchgefiihrt. Liegen dabei die Sicherheiten > 1 und sind alle rutschungsfordernden Gegebenheiten beriicksiehtigt, so sind einzelne Parameter zu giinstig angenommen worden und miissen modifiziert werden. Dies gilt auch fUr die Lage und Form der Gleitflache, falls sie nieht geologisch vorgegeben bzw. bekannt ist. Bei einer Sicherheit YIP' y, = 1 (s. Tab. 5.3) ist die Rutschung fiir den jeweiligen Versagensmechanismus (Rechenmodell) rechnerisch erfasst und im Grenzgleichgewicht. 1m nachsten Schritt werden die Auswirkungen der beabsichtigten Sanierungsma6nahmen rechnerisch abgeschatzt. Vielfach reicht eine Erhohung der Sieherheit auf 1,1 bis 1,15 aus, urn Hangbewegungen weitgehend zum Stillstand zu bringen (SOMMER 1978; GODECKE et al. 2003) bzw. die Bewegungen auf ein unschadliches Ma6 zu bremsen (s. Abschn. 5.7.1). Ein solcher verhaltnismamg niedriger Sieherheitsfaktor erscheint vertretbar, wenn langer anhaltende Nachbewegungen (Nachkriechen s. Abschn. 15.2.6) hingenommen werden konnen, Kontrollmessungen durchgefiihrt werden (JAHNEL & KOSTER 1993) und eine spatere Verstarkung der Sicherheitsmafinahmen moglich ist (GODECKE et al. 2003). Bei Rutschungen, bei denen das Wasser eine entscheidende Rolle spielt, sollten nach Moglichkeit entsprechend hohere Sieherheiten angestrebt werden. Bei der rechnerischen Abschiitzung der Stabilitiit eines (noch nieht gerutschten) Hanges bzw. Boschung muss durch Variation der Gleitflache und der ma6gebenden Parameter die ungiinstigste Gleitflache bzw. der ungiinstigste Bruchkorper gesucht werden. Bei natiirlichen Hangen liegt die rechnerische Sicherheit haufig nur wenig iiber 1, so dass im Bebauungsfall die nach DIN 4084 bzw. DIN 1054 erforderliehen
393
Sicherheiten (s. Tab. 5.3) ohne zusatzliche Ma6nahmen nicht zu erreichen sind. In solchen Fallen konnen die Gesamtstandsicherheit des Hanges sowie die Tiefenlage der Gleitflache und die moglichen bzw. wahrscheinlichen Rutschkorper nach ingenieurgeologischen Gesichtspunkten abgeschatzt und die verschiedenen Bruchkorper notigenfalls mit unterschiedlichen Sieherheiten beaufschlagt werden. Wahrscheinlichen Bruchkorpern muss mit Sicherheiten von 1,25 begegnet werden, wahrend mogliche, aber nach der ingenieurgeologischen Erfahrung wenig wahrscheinliche Bruchkorper gegebenenfalls nur mit einer rechnerischen Sicherheit von 1,15 oder 1,2 beriicksichtigt werden konnen (s. WINKLER & VOGT 2005 und Abschn. 5.7.1). Die Kontrolle des Verformungsverhaltens kann iiber die Beobachtungsmethode erfolgen, d. h. einem Vergleich der nach den Berechnungen zu erwartenden und den mehr oder weniger unvermeidlichen gemessenen Hangverschiebungen. Vorsicht ist in allen Fallen geboten, wo infolge geringer Anfangsbewegungen mit einem Abfall der Scherfestigkeit oder mit der Entwicklung eines progressiven Bruchvorganges zu rechnen ist. Die Entwicklung einer solchen langzeitigen Abminderung der Scherfestigkeit kann mehrere Jahre dauern (4 bis 12 Jahre). Sie ist meistens von einer Zunahme von Kriechbewegungen begleitet. Die Wirkung des Wassers kann in den Berechnungsansatzen au6er der Auflastanderung infolge Auftriebswirkung auch als hydrostatischer Kluftwasserdruck, als Porenwasserdruck oder als Stromungsdruck bzw. durch einen von Stromungsdruck beeinflussten, abgeminderten Reibungswinkel beriicksiehtigt werden (s. Abschn. 5.7.7). Besonders schwierig zu beherrschen sind gro6flachige, flachgriindige Massenverlagerungen deren Bewegungsmechnaismus sehr stark yom Niederschlagsgeschehen abhangig ist. Bei tiefen Rutschungen geniigt oft eine dauerhafte Grundwasserabsenkung, urn einen standsicheren Zustand zu erreichen (HAFNER & KRIECHBAUM 1997). Zunehmend werden auch computergestiitzte geotechnische Modellrechnungen von Steinschlaggefahrdungen, Felssturzereignissen und auch oberflachennahen Rutschungen vorgenommen. Von den im Abschn. 2.7 behandelten Scherfestigkeitsparametern wird fiir den Lastfall "ex-
15
394
treme Niederschlage" wegen des dabei auftretenden moglichen Porenwasserdruckes, wie bei einem schnellen Belastungsfall (Abschn. 2.7.4), als unterer Grenzfall die unentwasserte Scherfestigkeit Cu angesetzt (FRANKE 1976: 103). Fur einfache Entlastungsfalle und fur die Endfestigkeit von Belastungsfallen werden die effektiyen oder wirksamen Scherparameter q/ und c' aus dem CAD- oder CAU-Versuch verwendet. Hierbei ist zu beachten, dass bei langsam ablaufenden Bewegungen bereits rheologischer Effekte auftreten konnen, durch welche die Scherparameter urn 10 bis 15 % unter die sonst ublichen Werte absinken konnen. Bei flachgrundigen Rutschungen ist dagegen, besonders in Waldgebieten, die sog. Wurzelkohasion zu berucksichtigen. Bei Tonen kann die Scherfestigkeit mit zunehmender Verschiebung und Ausbildung einer Gleitflache auf die sog. Restscherfestigkeit CfJR abfallen (s. Abschn. 2.7.6). Diese betragt in der Regell/3 bis 2/3 CfJ', wobei cR meist 0 ist. Die Restscherfestigkeit wird auch auf allen vorgegebenen Gleitflachen mit tonigen Belagen angesetzt, besonders bei Tonen mit quellfahigen Tonmineralen. AuBer der Tonmineralogie sind dabei auch rasterelektronenoptische Untersuchungen der Gleitflachenbelage auf Einregelung und Auswalzung der Tonminerale von Bedeutung (BROSCH & RIEDMULLER 1988). Fur die Abschatzung der Langzeitstabilitat sind auch Anderungen der Kationenbelegung quellfahiger Tonminerale, Z. B. durch CaS0 4 - oder NaCI-haltige Wasser und eine damit verbundene mogliche Verringerung der Scherfestigkeit zu beachten. Nach LAGALY (1988) kann die Gegenwart von Montmorillonit und Natriumionen die FlieBgrenze eines Tons betrachtlich erhohen, was sich besonders auf die Restscherfestigkeit auswirkt. Kriechen als langzeitige Erscheinung oder als die einen Bruch vorausgehende Anfangsbewegung, ist nicht nur messtechnisch schwer zu erfassen, sondern auch rechnerisch nur uber Grenzwertbetrachtungen einzugrenzen (DENZER & LXCHLER 1988: 51). Kriechen kann infolge langsam zunehmender Schubspannung bereits bei weniger als 50% der Bruchscherfestigkeit einsetzen. Diese sog. kritische Schubspannung oder Kriechgrenze liegt damit im Vergleich teilweise noch unter der Restscherfestigkeit. Hindernisse (z. B. Grundungen), die der Kriechbewegung im Wege stehen, werden durch Kriechdruck bean-
15
Rutschungen
sprucht. Sein GroBtwert kann ein Mehrfaches des aktiven Erdruckes betragen, erreicht aber nur selten den passiven Erddruck. Die Risiken oberflachennahen Kriechens sind im Einzelfall sehr schwer abzuschatzen. An den beruchtigten Mitteljura-Hangen (ehem. Dogger) des Aichelbergaufstiegs der A 8 mit buckeligen Oberflachenformen und krummen Baumen konnten Z. B. in zwei Jahre vorauslaufenden Inklinometermessungen keine signifikanten Kriechverformungen gemessen werden (DENZER & LACHLER 1988: 50). Die rechnerische Erfassung von tiefreichenden, kriechend-gleitenden GroBhangbewegungen ist auBerst schwierig, da weder die Tiefenlage und Form der Gleitzone(n) noch die festigkeitsmechanischen Kennziffern bekannt sind. Morphologische Studien und der Bewegungsablauf lassen darauf schlieBen, dass in groBen Teilen der Gleitzonen nur noch die Restreibungswinkel wirken (MOSER 1993, darin Lit.). 1m Zusammenhang mit Kriecherscheinungen kann es in der Natur zu einem allmahlichen Abbau der Scherfestigkeit kommen, der als progressiver Bruch bezeichnet wird. Durch ortliche Dberschreitungen der Scherfestigkeit und dabei auftretende geringe Gleitbewegungen konnen zunachst eng begrenzte Bewegungszonen entstehen. Infolge der dabei auftretenden Dberlastung der Nachbarbereiche dehnen sich diese Schwachezonen aus und es entstehen immer groBere Flachen, in denen die Scherfestigkeit auf die Restscherfestigkeit abfallt. Sobald diese Flachen ein kritisches AusmaB erreicht haben, kommt es zum Bruch. Die Erscheinung dieses progressiv entstehenden Bruches ist mehr oder weniger auf Boden mit ausgepragter Restscherfestigkeit oder auf vorgegebene Flachen, insbesondere tonig belegte Schichtflachen, beschrankt. Sie ist in solchen Boden aber eine verhiiltnismaBig haufige Erscheinung. In vorbelasteten Tonen unter Grundwassereinfluss hangt der Effekt des zeitverzogerten progressiven Bruchs wesentlich von der Entwicklung des Porenwasserdrucks abo Bei schneller Aushubentlastung fallt der Porenwasserdruck zunachst auf negative Werte ab, was den Ausdehnungsvorgang behindert und die Boschung standfest halt (Blcz6K 1997). Erst bei allmahlichem Ausgleich des Porenwasserdrucks setzt der Quellvorgang und die Entfestigung des Bodens, besonders auf
15.5 Vorbeugende MaBnahmen und Sanierung von Rutschungen
vorgegebenen Flachen ein. Die Scherfestigkeit, insbesondere die Kohasion nehmen ab und auf vorgegebenen Fliichen kann sich die Restscherfestigkeit einstellen. Erste Anzeichen solcher progressiver Brucherscheinungen sind haufig die Offnung von Zugrissen in oder oberhalb der Boschung und Ausbauchung der Boschungsflache. Bei Festgesteinen ist gemaG Abschn. 2.7.6 immer zwischen der Gebirgsscherfestigkeit und der Scherfestigkeit auf Trennflachen zu unterscheiden. Von der Letzteren ist die Scherfestigkeit auf Schichtflachen noch einigermaGen abzuschatzen bzw. aus GroGversuchen oder der Ruckrechnung von Felsgleitungen bekannt. Je nach Ausbildung der Flachen bzw. vorhandenen Belagen (Glimmer, schuppige Mylonite, dunne schmierige Tonlagen) sind Abminderungen zu treffen, wobei jeweils auch die FlachengroGe, fur welche diese Abminderungen gelten sollen, abzuschatzen ist. Die Scherfestigkeit von Kluftflachen ist sehr stark yom Einspannungszustand, der Flachenausbildung, der Kluftweite bzw. der Kluftfullung abhangig und ist wesentlich schwieriger anzugeben.
15.5 Vorbeugende MaBnahmen und Sanierung von Rutschungen Fur die Festlegung von vorbeugenden MaGnahmen oder SanierungsmaGnahmen ist es unerlasslich, die ursachlichen Faktoren fUr die Rutschgefahr oder fUr eine aufgetretene Rutschung richtig zu erkennen. Die vorzuschlagenden MaGnahmen muss en dann die einzelnen Faktoren so weit wie moglich ausschalten, das Gleichgewicht wieder herstellen oder die Rutschmassen stabilisieren. Solche vorkehrenden oder SanierungsmaGnahmen sind in der Regel kostenaufwandig, so dass diesem Aufwand immer die Notwendigkeit und auch der zu erwartende Erfolg der MaGnahme gegenubergestellt werden mussen. In vielen Fallen ist eine Plannngsiinderung wirtschaft licher als eine Sanierung, vor allen Dingen, wenn die Gefahrensituation rechtzeitig erkannt und die Umplanung fruhzeitig vorgenommen wird.
395
Bei Bauvorhaben an rutschgefahrdeten Hangen ist nach dem "Prinzip der kleinsten Massenbewegnngen" vorzugehen, d. h. die Eingriffe in das Gelande mussen minimiert werden und es durfen jeweils nur so wenig Massen wie moglich ab- bzw. aufgetragen werden. Abb. 15.21 zeigt ein Beispiel fUr eine rechtzeitige Umplanung der Trassenfuhrung eines Autobahnprojekts auf der Grundlage einer Rutschungskartierung, von Aufschlussbohrungen und Standsicherheitsberechnungen. Das Prinzip des kleinsten Massenabtrages gilt auch bei Steinschlag- nnd Felssturzgefahr. Hierbei handelt es sich haufig nur urn einige m 3 Gestein, die an ubersteilten Boschungen abzustiirzen drohen. Das Problem ist in der Regel, die Absturz gefahrdeten Partien zu erreichen und abzutragen, ohne Schaden anzurichten. Oft ist es kostengunstiger, den GroGteil der Absturz gefahrdeten Massen in der Wand zu sichern. Urn diese Arbeiten ausfuhren zu konnen, muss notigenfalls bergsteigerisch am Seil gearbeitet werden oder es sind extrem hohe Hubbuhnen, gelegentlich auch Einrustungen erforderlich (s. Abschn. 13.3.1, SPANG & KARDEL 2002 sowie KEUSEN 2002). Erwahnt werden sollen hier auch die Felssicherungsarbeiten am Drachenfels, der 1970/71 mit massiven Stahlbetonholmen und insgesamt 89 Felsankern von 15-42 m Lange gesichert worden ist. An schwer zu sichernden Steilwanden konnen auch Schutzbauten vorgesehen werden. Instabile Felspartien, die abzusturzen drohen, mussen notigenfalls gezielt zum Absturz gebracht werden. Ein solcher Abtrag ist sorgfaltig vorzubereiten, wobei nach Bedarf Auffangwande fur die Absturzmassen vorgesehen werden muss en (BRASSER & GRUNER 2002 und KRAUTER et al. 1993). Bei der Sanierung aufgetretener Rutschungen genugt es auch oft, die Bewegungen so weit zu verlangsamen bzw. das Risiko weiterer Bewegungen soweit einzuschranken, dass man damit auf absehbare Zeit bestehen kann. Eine vollstandige Ausschaltung jeglicher Gefahr ist in vielen Fallen zu aufwandig. Gegen Murenabgange und ihre Folgen konnen Ablenkungsdamme, z. T. in Form von Winkelstutzmauern oder sonstige Murfangsperren errichtet werden (HOFMANN et al. 2002).
15
396
15 Rutschungen
1
B Gleitkreise fur BAB-Einschnitt Gleitkreise fUr BAB in Dammlage
mNN A 420 400
I Dammlage
380 360 340 Verwerfung
Abb. 15.21 Rutschungskartierung fUr ein Autobahnprojekt im Bereich der Riit/Muschelkalk-Grenze (so4/mu1). Die Trasse musste wegen unzureichender Sicherheiten fOr den tiefen Einschnitt in mittlerer Hanglage talwiirts verlegt werden. (s. d. MEYER & PRINZ 1997 und Abschn. 15.6.2).
15.5.1 Verbesserung bzw. Wiederherstellung des Boschungsgleichgewichtes Zur Verbesserung bzw. Wiederherstellung des Boschungs- oder Hanggleichgewichts stehen eine ganze Reihe von MaBnahmen zur Verfiigung, die einzeln oder in Kombination eingesetzt werden konnen (s. SCHUMACHER & LIPPOMANN 2005).
Flache Boschungsrutschungen konnen mit etwa 1 m dicken Steinschiittungen, sog. Steinmatratzen, saniert werden. Tiefer reichende, kleinere Rutschmassen werden vielfach bis auf die Gleitflache abgetragen und zwar entweder unter Boschungsabflachung (Abb. 15.22a) bzw. ganz oder teilweiser Wiederherstellung der Boschungsflache mit standfestem Material als sog. Steinplomben (Abb. 15.22b). Der Abtrag der Rutschmassen bis unter die Gleitflache soH zur besseren Verzahnung moglichst treppenartig erfolgen. Die
397
15.5 Vorbeugende MaBnahmen und Sanierung von Rutschungen
_' GLEITFLACHE "
b
STEINPlOHBE SICKE RSCHICHT AEIBUNGSFUSS
l> •
SICURSTR.t.NGE
Abb. 15.22 MaBnahmen zur Wiederherstellung des Gleichgewichts einer 86schung a. B6schungsabflachung b. Wiederherstellung der 86schungsfliiche nach Einbau einer Steinplombe bzw. eines ReibungsfuBes.
Sohlschichten sind notigenfalls durch Sickerschichten mit Sickerstrangen zu entwassern. Die Verbesserung des Gleichgewichts kann durch Einbau eines ReibungsfuBes aus hochscherfestern, gebrochenem Gesteinsmaterial oder durch Aufbau eines Gegengewichtes bzw. Ausziehen des BoschungsfuBes verstarkt werden. Ein solcher Massenabtrag und Bodenaustausch kann bei unvertraglichem Risiko und eindeutiger Gefahrensituation auch schon vorab bei der Boschungsherstellung erfolgen. Bei Mehrfachrutschungen oder fortschreitenden Rutschungen geniigt vielfach auch eine Teilauskofferung, ggf. im Schutze oder mit Unterstiitzung
eines massiven Verbaus und dem Aufbau eines ausreichenden ReibungsfuBes (Abb. 15.23). Bei Gefahr von Entlastungsbriichen konnen eine flachig verteilte Ankerung (TRISCHLER & DURRWANG 1989; JAHNEL & KOSTER 1993 und Abb. 13.8), Bodenvernagelung (LIPPOMANN & SCHWING 1997) oder auch ein Belastungsfilter in Form von 2 bis 3 m Kiessand oder Schotterabdeckung dieser entgegenwirken und eine Abminderung der Scherfestigkeit verhindern. Beim Hydro-Zementations-Verfahren werden in Abstanden von 5 bis 10 m meist 2 m breite Erdbetonstutzscheiben hergestellt, indem mittels gelandegangiger Schreitbagger oder spezieller Kletterbagger der anstehende Boden streifenweise in 4 bis 6 m tiefen Schlitzen aufgearbeitet und mit Additiva auf Zement- und Silikatbasis verfestigt wird. Die so erstellten Zement-BodenStiitzkorper konnen mit EntwasserungsmaBnahmen kombiniert werden (GXSSLER et al. 1989; KRAUTER & KNoCHE 1992). FEUER BACH (1996) gibt als Festigkeitswerte der HZV-Erdbetonkorper eine einaxiale Druckfestigkeit qu = 5-10 MNI m 2 cp = 40°-50°, c' = bis 500 kN/m 2 an. Die Tiefe der Stiitzscheiben richtet sich nach den maBgebenden Gleitflachen (Abb. 15.24). Der Abstand der Scheib en wird so festgelegt, dass sich dazwischen keine Teilrutschungen entwickeln k6nnen. Eine ahnliche Entwicklung ist das sog. FrasMisch-In;ektionsverfahren, bei dem 0,5-1,0 m breite und 4 bis 6 m (max. 9 m) tiefe Stiitzkorper mittels eines Frasarms auf Raupenfahrwerk hergestellt werden (FEUER BACH 1996, s. Abschn. 14.3.2).
,/
/
Dr.insystem
.
..
00 •
Abb. 15.23 Stabilisierung einer Mehrfachrutschung durch Teilauskofferung und Aufbau eines ReibungsfuBes (Zeichn. KRAUTER) .
5
398
15 Rutschungen
15
I
-
I
I
I
I
I
Abb. 15.24 Dimensionierung von ErdbetonstOtzscheiben nach der kritischen Gleitflache (nach REINHOLD & KUDLA 2008).
Eine sehr wirkungsvolle MaBnahme ist auch eine Vorschiittung als Gegengewicht, die, wenn entsprechende Massen rasch verfiigbar sind, auch als SofortmaBnahme zweckmaBig sein kann, urn die Bewegungen rasch zum Stillstand zu bringen (s. HEITFELD et a1. 2005).
15.5.20berWichendranung Oberflachenwasser muss durch offene Graben, meist Hanggraben, von der Rutschung abgehalten und abgefiihrt werden. Notigenfalls sind diese mit dichter Sohle (Betonhalbschalen) zu versehen. Urn das Einsickern von Oberflachenwasser zu verhindern, sind freigelegte Flachen mit bindigem Boden, voriibergehend auch mit Folien abzudecken. Risse im Boden sind mit bindigem Material oder Zementsuspension zu verschlieBen. Durch rasche Begriinung mit wasserverbrauchendem Bewuchs kann die Versickerungsrate und auch das Auftreten von Trockenrissen abgeschwacht werden. Die Versickerungsrate kann auch durch ein System von flachen Sickerstrangen oder Sickerschlitzen in Abstanden von 6 bis 8 m abgemindert werden (s. d. Abschn. 13.3.3). Abflusslose Senken sind gesondert zu entwassern. Aufgeweichte tonige Rutschmassen konnen notigenfalls durch elektroosmotische Entwasserung stabilisiert und befahrbar gemacht werden (s. Abschn. 11.5). Eine Dauerwirkung ist dam it allein allerdings nicht zu erzielen, es sei denn, es wird auch eine elektrochemische Verfestigung vorgenommen.
kritische Gleitlinie in Scheibenebene
15.5.3 Tiefdranung Tiefere wasserfiihrende Schichten oberhalb und in Rutschungen konnen durch 3 bis 5 m tiefe Sickerschlitze bzw. Hangsickerstrange mit einem Sickerrohr an der Sohle und einem Misch- oder Stufenfilter, notigenfalls mit Vliesummantelung, entwassert werden. Diese sollten moglichst im Hangefalle oder Y-fOrmig angelegt werden. Sickeranlagen oberhalb von Rutschungen miissen in einem sicheren Abstand zur Boschungskrone verlaufen. In Boschungen konnen Sickerstiitzscheiben aus Schotter, Gabionen oder Einkornbeton vorgesehen werden. Flache Sickerstiitzscheiben werden gewohnlich als Rigolen bezeichnet (s. Abschn. 13.3.3). Bei groBerer Tiefe der wasserfiihrenden Schicht kann die Entwasserung durch Tiefdranschlitze nach der GroBbohrpfahlmethode aus durchlassigem Einkornbeton (Abb. 15.25) oder auch Schotterpfahlen erfolgen. Bei groBeren Langen sind in der Sohle Sickerrohre zu verlegen, deren Wasser notigenfalls iiber Querschlitze oder Horizontalbohrungen abgefiihrt werden muss. Die Langzeitwirkung einer solchen MaBnahme hangt allerdings stark von der Qualitat der Ausfiihrung ab, wobei bei allen TiefdranmaBnahmen die Moglichkeit des Zusinterns die Dranrohre durch kalkhaltiges Wasser oder durch Kalkauswaschung aus dem Beton (s. Abschn. 17.2.5.3) zu beachten ist. Mit Horizontaldranung kann weniger eine direkte Entwasserung, wohl aber eine Umlenkung des Stromungsdruckes erreicht werden (Abb. 15.26). Die Entwasserungsbohrungen miis-
399
15.5 Vorbeugende MaBnahmen und Sanierung von Rutschungen
15
r OrOrrolvledung \
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§
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k " 1 . 10 9m/ s
II
> 1 m,
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III
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1O "9 m/
MaGnahmen verbessert oder vervollstandigt werden. Dies gilt im Ausnahmefall auch fUr Standorte, an denen keine naturliche geologische Barriere vorhanden ist. Die technischen ErsatzmaGnahmen mussen die genannten Bedingungen erfUllen. Die Anforderungen an die geologische Barriere sind ein Kompromiss an ungunstige Standorte und entsprechen nicht den Vorstellungen und Moglichkeiten der Geologie. Zielvorstellung fUr einen gunstigen Deponiestandort musste sein, dass die geologische Barriere langzeitlich die Ruckhaltung bzw. Minderung des Schadstoffaustrags ubernehmen kann. An einem geeigneten Standort mussen deshalb hohe Anforderungen bezuglich Machtigkeit, Dichtigkeit und Mineralogie des Barrieregesteins gestellt werden, wobei man sich daruber im Klaren sein muss, dass es keinen absolut "dichten" Standort gibt. Dies zeigen letztlich zahlreiche Beispiele in der Natur, die belegen, dass uber lange Zeitraume auch Tone in der oberflachennahen Auflockerungszone (s. Abschn. 15.1.1 und Abb. 16.2) fur Ionenwanderung durchlassig sein konnen, wie die Bildung von Kalkkonkretionen oder Gipsrosetten in der Anwitterungszone von kalkhaltigen 1m u Gel. I
Palaorellef
Entlastung5 lone
Festgesteln
s.
Wenn die geologische Barriere diese Anforderungen nicht erfUllt, kann sie durch technische
Abb. 16.2 Zonen der Gebirgsdurchliissigkeit in einem Tonsteinuntergrund, festgestellt im Bereich der SAD MOnchehagen (aus DORHOFER & FRITZ 1991).
6
428
16 Grundlagen fUr die Bewertung von Deponie- und Altlastenstandorten, Flachenrecycling
Tonen bzw. solchen mit fein verteiltem Pyrit, sowie auch tief reichende Entfarbung und Verwitterung oder eine kalk- und sulfatfreie Oberzone zeigen (SCHERMANN 1991). Andererseits sind aus der Geologie auch Beispiele fUr eine fast uneingeschrankte Isolationskapazitat von Tonen bekannt, wie die gut erhaltene organische Holzsubstanz von 2 Millionen Jahren alten Baumstammen in einer Tongrube in der italienischen Provinz Umbrien belegt. Die Anforderungen fUr Deponiestandorte werden in erster Linie von tonig-schluffigen Gesteinsserien erfUllt, die nicht nur Grundwasserhemmer bzw. Grundwasserstauer darstellen, sondern aufgrund ihres Tonmineralanteils auch erhebliche Schadstoffriickhalteeigenschaften aufweisen. Ais solche Barrieregesteine kommen in der Bundesrepublik Deutschland in Betracht: machtige tonige Verwitterungsbildungen oder Verwitterungslehme tonig-schluffiger Geschiebemergel Beckentone tonig-schluffige Serien des Tertiars (z. B. Rupelton, Reuver-Ton) Tonsteine der Unterkreide Tonsteine des Unter- und Mitteljura (z. B. Amaltheenton, Opalinuston) Tonsteine der Trias (z. B. Keuper- und z. T. Rottonsteine) Tonschiefer des Palaozoikums (z. B. Hunsriickschiefer) . Die einzelnen Barrieregesteine sind selten homogen, vielmehr treten haufig petrographische Inhomogenitaten in Form von sandigen Lagen, Sandstein - oder Kalksteinzwischenschichten, Geodenlagen und anderen Einlagerungen auf, die eine erhohte Wasserwegsamkeit bewirken. Gleiches gilt fUr Kluft- oder Storungszonen, die z. T. sogar von tektonischer Gebirgsauflockerung begleitet sein konnen, wie die tief greifenden Entfestigungs- und Verwitterungserscheinungen in tektonischen Storungszonen zeigen (s. Abschn. 3.4.4). Die Erfahrungen der letzten Jahre haben gezeigt, dass auch relativ undurchlassige Gesteinsserien fast immer deutliche Inhomogenitaten mit teilweise recht hohen Gebirgsdurchlassigkeiten aufweisen. Diese Unsicherheiten hinsichtlich der Homogenitat miissen durch eine moglichst gro6e Machtigkeit der Barrieregesteine ausgeglichen werden (DORRHOFER 1988).
Ein weiterer Faktor bei der Standortwahl ist die Lage der GrundwasseroberfHiche. Reicht die Deponie bereichsweise in das Grundwasserniveau, so erfolgt der Schadstoffaustrag nicht zuerst iiber die ungesattigte Zone, sondern aus der Deponie direkt ins Grundwasser. Eine Deponierung oberhalb des Grundwassers ist zweifellos giinstiger zu bewerten, da hier die chemischen Prozesse schneller ablaufen als in der gesattigten Bodenzone. Die Schadstoffriickhaltekapazitiit der ungesattigten Zone wird jedoch haufig iiberschatzt (DORRHOFER 1987). Bei durchlassigem Untergrund mit geringer kapillarer Aufstiegshohe sollte der Abstand zur Grundwasseroberflache sogar nicht mehr als 1 bis 2 m betragen, da sonst mit einer allmahlichen Austrocknung der mineralischen Dichtungsschicht einer Kombinationsdichtung an der Deponiebasis zu rechnen ist.
16.3.1 Standorterkundung Die Anforderungen an den Untergrund aIs geologische Barriere sind abhangig von der Deponieklasse und den geologischen bzw. hydrogeologischen Gegebenheiten. Die Eignung eines Standorts kann jedoch nur aus der Gesamtbeurteilung aller relevanten Einflussfaktoren im Multibarrierensystem beurteilt werden, wobei der Machtigkeit und Ausbildung des Barrieregesteins im Untergrund langfristig eine wesentliche Rolle bei der Verminderung des Schadstoffaustrags in das Grundwasser zukommt. Ais Ausschlusskriterien fiir Deponiestandorte gelten Karstgebiete, stark kliiftige und besonders wasserwegsame Festgesteine sowie Steinbriiche und Gruben, aus denen eine Ableitung von Sickerwasser in freiem Gefalle nicht moglich ist. Weitere Ausschlussgebiete sind Naturschutzgebiete, Wasserschutz- und -vorranggebiete, Uberschwemmungsgebiete, Erdbebengebiete, tektonisch aktive Storungszonen, Bergsenkungsgebiete sowie Rutsch- und Erdfallgebiete (s. AUST et al. 1997). Fiir die Standortbeurteilung sind nachfolgende Faktoren ma6gebend.
16.3 Deponieuntergrund
Untergrundverhaltnisse: Untergrundaufbau, Schichtenfolge und deren stratigraphische Zuordnung, Machtigkeiten, Unregelmamgkeiten Verwitterungszustand und -bestandigkeit, oberflachennahe Auflockerungszone, Loslichkeit Lagerungsverhaltnisse, tektonische Storungen, Trennflachengeflige, Kluftbelage, Oxidationssaume, tektonische Gebirgsauflockerung (s. Abschn. 3.4.4) Geologische Besonderheiten, wie Verbreitung und Zustand verkarstungsfahiger Gesteine sowie Erdfalle und Bodensenkungen, HangzerreiBung, Rutschungen, Erdbeben, Bergbau und oberirdischer Abbau, Lagerstatten, Bodendenkmale. Grundwassersituation: Vorflutverhaltnisse, Hochwasser (auch Tideeinfluss), Quellen, Vernassungen Grundwasserschutz- oder Vorranggebiete, Heilquellen-Schutzgebiete, Wassergewinnungsanlagen, Wasserrechte Ober- und unterirdische Grundwassereinzugs- und -abstromgebiete Besondere unterirdische Abflusswege Niederschlagsdaten und Grundwasserneubildung Grundwasserstande und -stockwerke, jahreszeitliche Wechselstande Raumlage, Verbreitung und Machtigkeit von Grundwasserleitern und Hemmschichten GrundwasserflieBrichtung und -flieBgeschwindigkeit Geochemische Charakterisierung des Grundwassers (auch einzelner Stockwerke) unter Berucksichtigung geogener oder anthropogener Belastungen. Ausgehend von einer moglichst umfassenden Ermittlung dieser Faktoren und Daten sollten fur eine geologische Barriere folgende Kriterien erflillt sein: Tone oder Tonsteine in entsprechender Dicke und mit gunstiger Tonmineralogie Schwaches oder latent ausgebildetes Trennflachengefuge
429
Keine oder nur geringe fazielle und tektonische Anisotropien Geringe Gebirgsdurchlassigkeit Geringe Grundwasserneubildungsrate Moglichkeiten des Nachdichtens bzw. UmschlieBens bei einem Storfall. Nach den heute vorliegenden Erfahrungen sind Tone des Tertiars, mit in der Regel nur untergeordnet wasserwegsamen Trennflachen, Tonsteinen der Trias oder der Kreide vorzuziehen, die fast immer ein ausgepragtes Trennflachensystem aufweisen. Dies gilt besonders, wenn in Grubendeponien die vertonte und plastifizierte oberflachennahe Anwitterungszone ausgeraumt worden ist. In den machtigen Tonsteinserien (z. B. Opalinuston, Unterkreide-Tonsteine) werden gemaB den Verwitterungsintensitaten (s. Abschn. 3.4.2) drei Zonen der Gebirgsdurchlassigkeit unterschieden (Abb. 16.2): Eine oberflachennahe Verwitterungszone mit Durchlassigkeiten von 10-8 bis 10- 10 mis, die bis durchschnittlich 5 bis 15 m unter Gelande reicht. Darunter kann eine Zone entlastungs- und kluftungsbedingter Gebirgsdurchlassigkeit ausgehalten werden, mit k- Werten von 10-5 bis 10-6 ml s, die etwa 10 bis 30 m unter Gelande reicht. Ab dies en Tiefen nimmt die Durchlassigkeit wieder auf Werte von 10-7 bis 10-9 m/s ab (HENKEL 1990, SCHETELIG 1991). Die tatsachlichen Machtigkeiten der einzelnen Zonen sind von der jeweiligen Exposition, d. h. von der Hang- oder Tallage abhangig. Besonders beachtet werden mussen von tektonischer Gebirgsauflockerung begleitete Kluftund StOrungszonen. Sie sind bei der Erkundung sehr schwer zu erfassen, da sie nicht immer durch Bewegungsspuren, Eisenhyroxidbelage oder Oxidationssaume erkennbar sind. In solchen Zonen werden jedoch teilweise deutlich erhohte Gebirgsdurchlassigkeiten beschrieben. HElL et al. (1989) sowie DUMMER & MULLER (1990) berichten von durch Feldversuche ermittelten Gebirgsdurchlassigkeiten von 2· 10-5 ml s in mit steil stehenden Kleinstorungen durchzogenen Liastonsteinen am Rand der Herforder Liasmulde, nahe den Scherbruchzonen der Osning-Storungszone. Auch vom Opalinuston der Schwabischen Alb werden von HENKEL (1990) erhOhte Durchlassigkeitswerte in Kluft- bzw. Storungszonen von k = 10-5 m/s in 25 m Tiefe und von
16
430
16 Grundlagen fur die Bewertung von Oeponie- und Altlastenstandorten, Fliichenrecycling
Tabelle 16.1 Ourch Feldversuche ermittelte Zonen der Gebirgsdurchliissigkeit und erhohte Ourchliissigkeiten an einzelnen Storungszonen (Lit. siehe Text). Tonsteine Unterkreide Niedersachsen
Opalinuston Nord-Bayern
Opalinuston Baden-Wurttemberg
< 5-10 m 5-10 -9 m/s
10 9- 10
< 5- 15 m 10 8 m/s
8 · 10 '-8 . 10 · m/s
10
~- 10
12
m/s
Lias-Tonstein Herford
m/s
> 30 m 1 · 10 m/s
> 20 m
in Storungszonen
25 m: 10 -~ m/s 51 m: 10 ' m/s
k = 10-7 m/s in 51 m Tiefe beschrieben. Nach den bisherigen Erfahrungen ist damit zu rechnen, dass die Durchlassigkeit derartiger Zonen etwa einen Potenzexponenten hOher ist als die groBflachig ermittelten Durchschnittswerte (Tab. 16.1)
16.3.2 Wasserbewegung und Schadstofftransport Der Transport von Schadstoffen aus einer Deponie erfolgt hauptsachlich mit dem Wasser (Abb. 16.3). Allgemein lassen sich bei der Stoffmigration ein advektiv-dispersiver, yom Druckgradienten abhangiger und ein diffusiver, yom Konzentrationsgradienten abhangiger Stofftransport unterscheiden. Das Migrationsverhalten wird auBerdem durch Sorptionsprozesse beeinflusst. 1m Einzelnen konnen folgende Prozesse unterschieden werden: Advektion (Grundwassertransport) - haufig auch als Konvektion bezeichnet Dispersion (Verteilung durch Vermischung) Diffusion (Konzentrationsausgleich aufgrund des Konzentrationsgefalles) Sorption (Summe aus Filtration, Ausfallungl Losung, chemischer Bindung, Isotopenaustausch, Oberflachensorption, elektrostatische Bindung) Abbau (biochemischer Abbau oder Umbau). Das Porenwasser in den mehr oder weniger vernetzten Porenkanalen einer tonigen Matrix be-
10 '_ 10.9 m/s 1O ~
m/s
steht aus beweglichen (mobilen) und unbeweglichen (immobilen) Anteilen (s. Abb. 2.9). Der mobile Wasseranteil reagiert auf das hydraulische Druckfeld, wahrend das immobile Wasser davon unbeeinflusst bleibt. Aufgrund von Diffusion findet jedoch auch zwischen dem immobilen und dem mobilen Wasser Stoffaustausch statt. In Abb. 16.3 sind die Teilprozesse des Schadstofftransports schematisch zusammengestellt. In der ungesattigten Zone erfolgt die Sickerwasserausbreitung hauptsachlich der Schwerkraft folgend (vertikaler Transport) und zwar periodisch, je nach Sickerwasseranfall. Die Sickerwassermenge kann durch die mittlere jahrliche klimatische Wasserbilanz abgeschiitzt werden. Bei Wechsellagerungen und in gekliifteten Gesteinen kann die Sickerwasserstromung in Abhiingigkeit von der Raumlage der wasserwegsamen Schichten oder Kliifte auch deutlich von der vertikalen Ausbreitungsrichtung abweichen. Die Schadstoffmigration durch die Deckschichten ist abhangig von der Vegetation, der Durchwurzelung, der Anzahl der Wurmrohren, von Rissen im Boden, der Bodenauflage (Humusoder Streuauflage), der Niederschlagsmenge und -verteilung, der Morphologie und Exposition, der Bodenstruktur, der Verweilzeit des Sickerwassers in der ungesattigten Zone (Grundwasserflurabstand, Durchlassigkeit, Speicherfahigkeit) sowie der Mobilitat und der Persistenz der Schadstoffe, d. h. deren Bestandigkeit gegeniiber chemischen oder biologischen Um- und Abbauvorgangen. In der ungesattigten Bodenzone liegt fast immer eine yom Sattigungsgrad abhiingige Mehr-
431
16.3 Deponieuntergrund
16
Verunrelnigung
.. .. .g c
.!3
MehrphasenlluO
1
~H20
F
::I
Advekllon
!
Konveklion
z
Oiffusion
..
~
j
Dispersion
= =
~
==
--=-
=
....
Grundwassernichlleiler
Abb.16.3 Schematische Darstellung der Reaktionen und Transportvorgange im Untergrund (aus
phasenstromung mit Luft- und Wasseranteilen vor, die bewirkt, dass der DurchHissigkeitsbeiwert der ungesattigten Zone urn einen halben bis ganzen Potenzexponenten niedriger anzusetzen ist, ais bei Wassersattigung (s. Abschn. 2.8.1). Durch AusHillung von Eisen- und Manganhydroxiden stellt sich im Laufe der Zeit eine weitere Verminderung der Durchsickerung ein. Dieses sog. Selbstreinigungsvermogen der ungesattigten Bodenzone durch Sorptionsprozesse darf jedoch aus den verschiedensten Grunden nicht uberschatzt werden. In der gesiitligten Zone erfolgt standig eine Schadstoffausbreitung in Richtung des Grundwassergefalies durch Advektion und in geringem Ma6e auch quer dazu durch Dispersion. Beim Stofftransport in der gesattigten Bodenzone muss au6erdem zwischen mit Wasser mischbaren bzw. lOslichen und mit Wasser nicht mischbaren bzw. unioslichen Stoffen unterschieden werden. Unter Advektion versteht man die passive Bewegung der Inhaltsstoffe mit der Grundwasserstromung. Die Flie6bewegung des Grundwassers ist abhangig von der Porengro6e und der Porenverteilung (Durchgangigkeit). Grobporen (010-50 flm und gro6er) sind schon bei gerin-
GOLWER
1991).
gen hydrostatischen Gradienten flie6fahig. Mittelporen mit Durchmessem von 0,2-10 flm erfordem fur eine Wasserbewegung hydrostatische Drucke bis zu 15 bar. In Feinporen mit < 0,2 flm Durchmesser fmdet nur noch bei hoheren Druckgradienten (Saugspannungen, S. Abschn. 6.2.2) Flie6bewegung statt. Hinzu kommen weitere Faktoren, wie die chemische Beschaffenheit und Temperatur der durchstromenden Flussigkeit sowie mobilitatsverandemde Mechanismen. Die in Abschn. 2.8 behandelte Durchliissigkeit, ausgedruckt durch den Durchiassigkeitsbeiwert k, bezieht sich definitionsgema6 auf Wasser ohne EIektroIytgehalt und mit einer Temperatur von 10 0c. Diese Bedingungen treffen fUr Deponiesickerwasser nicht zu. Bei einer Temperatur von 40°C ist aber die Viskositat des Wassers nur noch halb so gro6 wie bei 10°C, was eine Verdoppelung der Durchiassigkeit zur Folge hat. Fur eine rechnerische Abschiitzung genugt es auch nicht, eine mittlere Gebirgsdurchiassigkeit auf der Basis von Laborversuchen oder einzeiner FeIdversuche (s. Abschn. 2.8.4) anzugeben, sondem es muss versucht werden, die fUr die Gelandebedingungen gultigen Durchiassigkeitsbeiwerte und ihre Verteilungsfunktion zu erfassen
432
16 Grundlagen fUr die Bewertung von Deponie- und Altlastenstandorten, Flachenrecycling
und zwar unter Berucksichtigung der im Abschn. 16.3.1 beschriebenen Zonen besonderer Wasserwegsamkeit. Vergleichsmessungen ergaben in Feldversuchen lO-mal bis 1000-mal hohere Durchhissigkeitsbeiwerte als an ungestorten Tonproben des gleichen Materials in Laborversuchen, was u. a. auf hiiufig auftretende feine Risse in den anstehenden Tonen zuriickzufUhren ist (ADAMcaVA 2005). Hinzu kommt, dass fUr die verschiedenen chemischen Stoffgruppen unterschiedliche Durchlassigkeiten bekannt sind. Der hydraulische Gradient i fUr die Deponiebasisabdichtung ist von der Hohe des Sickerwasseruberstaus uber der Deponiesohle und der Dicke der Dichtungssohle abhangig (Abb. 16.4). Bei funktionierender Sohldranage bildet sich kein Sickerwasseraufstau, so dass der hydraulische Gradient mit i = 1 anzusetzen ist. Die aus Gleichenplanen konstruierten hydraulischen Gradienten im Deponieuntergrund sind haufig noch wesentlich kleiner (1: 10 bis 1:100. z. T. 1:1000). Welcher Wert den Modellrechnungen zugrunde zu legen ist, hangt yom Gesamtsicherheitskonzept ab und muss mit dem Entwurfsbearbeiter abgestimmt werden (GDAEmpfehlung E 6-2). Der im Abschnitt 2.8.1 diskutierte "stromungslose Bereich" bei kleinen Gradienten wird bei Deponiefragen nicht in Rechnung gesetzt, auch wenn in tonigen Sedimen ten bei kleinen Druckgradienten nichtlineare FlieBbedingungen anzunehmen sind. Die haufig verwendete Formel
(s. Abschn. 2.8) ergibt streng genommen nur die wahre FlieBgeschwindigkeit Vw und nicht die Abstandsgeschwindigkeit va' fUr deren Ermittlung Feldversuche notig sind. SCHNEIDER & GOTTNER (1991) haben bei Feldversuchen in Kreidetonen mit k = 2 .10-9 m/s Porenwassergeschwindigkeiten Va von 0,027 bis 0,043 cm/d ermittelt. Unter Dispersion versteht man die Vermischung gelOster Stoffe im bewegten Grundwasser infolge unterschiedlicher Durchlassigkeiten und FlieBbedingungen (longitudinale und transversale Dispersion, s. Abb. 16.5). Die Dispersion ist abhangig von der FlieBgeschwindigkeit und der Dispersivitat (ein Parameter der Porenraumgeometrie und der Kornung). Die Dispersionslange a betragt in Sanden und Kiesen Zentimeter bis z. T. Meter. Sie kann experimentell nur mittels Stofftransportversuchen ermittelt werden. Die Querdispersivitat betragt etwa 1/10 bis 1/5 davon (ENTENMANN 1998: 172). Nach bisherigen Erfahrungen ist die Dispersionslange von gering durchlassigen tonigen Boden (k:5, 10-9 m/s; va :5, 0,02 em/d) im Vergleich zur Diffusion relativ unbedeutend (SCHNEIDER & GOTTNER 1991). Mit abnehmender Durchlassigkeit und bei niedrigen Gradienten treten Stromungsvorgange zuruck. Als Migrationsform von gelosten Stoffen im Porenwasser uberwiegt bei kleinen Filterge-
k·i
va/ w = nf
EntwauerungsrOl'lr
-
l'IaI1um
Abb. 16.4 Definition des hydraulischen Gradienten fUr Deponiebasisabdichtungen (aus DRESCHER 1988).
Abb. 16.5 Auswirkungen der Dispersion auf den Stofftransport im Grundwasser (nach PFAFF 1995, geiindert).
16.3 Deponieuntergrund
schwindigkeiten die Diffusion infolge Konzentrationsunterschieden. Die Diffusion ist ein Transport von Atomen, Molekiilen und lonen in fliissiger oder gasformiger Phase zwischen kommunizierenden Poren und im Schichtgitterraum der Tone. Die treibende Kraft sind der Konzentrationsgradient oder das Temperaturgefalle. Die Stoffe wandern von Bereichen hoher Konzentration in Bereiche niedriger Konzentration, bis im Porenwasser ein Konzentrationsgleichgewicht entstanden ist. Der Diffusionskoeffizient im Porenraum eines Bodens wird fUr die freie Losung mit Do und als Summe aller behindernden Wechselwirkungen mit Deff (in mlls) bezeichnet. Der Diffusionskoeffizient wird durch Diffusionsversuche an wassergesattigten Tonscheiben ohne advektive Wasserbewegung ermittelt. Nach einer gewissen Diffusionszeit wird die Probe ausgebaut und die Konzentrationsverteilung gemessen. Ein einheitliches Verfahren zur Ermittlung des Diffusionskoeffizienten besteht bis jetzt nicht. Fiir nahezu ideale Tracer, wie z. B. Chlorid, werden in der Literatur abfangliche Diffusionskoeffizienten von Do = 10- 10 mlls angegeben. Dieser Wert zeigt gleichzeitig die GroBenordnung fiir die meisten gelosten Stoffe in Tonen (10- 9 bis 10- 11 mlls). Schwermetalllosungen weisen im AIIgemeinen einen geringeren Diffusionskoeffizienten auf (Einzelwerte s. WIENBERG 1998 und ENTENMANN 1998: 179). Diffusionsvorgange organischer Molekiile (KW, CKW) finden auch durch handelsiibliche Kunststoffdichtungsbahnen statt (RADLINGER 1997: 82). Bei mineralischen Basisabdichtungen, an deren Oberflache langfristig mit hohen Losungskonzentrationen gerechnet werden muss, kann die Diffusion die stromungsabhangige Komponente des Stofftransports des mobilen Porenwassers deutlich iiberwiegen bzw. dieser vorauseilen. Untersuchungen von Verschmutzungsfronten im Untergrund verschiedener Deponien haben gezeigt, dass ein diffusionsbedingter Durchbruch einzelner Chemikalien durch eine Tonbarriere schon in wenigen Jahren erfolgen kann. QUIGLEY et al. (1984) beschreiben die Eindringtiefe diffusiver Stoffwanderung in einem jungeiszeitlichen Geschiebemergel (k = 1,5· 10-10 m/s) unter einer 15-jahrigen Hausmiilldeponie mit
433
0,7 -1,0 m fUr Na+ -, Cal +- und Cl--lonen, 0,2 m fUr Schwermetalle (Cu, Zn, Fe, Pb) und 0,9 m fiir organisch gebundenen Kohlenstoff. Ahnliche Angaben iiber die Mobilitat von Clund Schwermetallionen bringt auch ADAMCOVA (2005). Eine Verminderung der Diffusion ware nur durch eine drastische Verringerung der GroBe der Porenraume in der mineralischen Dichtung moglich oder durch den Einbau von Diffusionssperrren. 1m Laufe der Zeit verringert sich die diffusive Schadstoffmigration durch allmahlichen Abbau des Konzentrationsgradienten (sog. instationare Diffusion) und durch Sorptionsvorgange. Die Permeationsrate bzw. Emissionsrate (in mg/ml. s bzw. g/ml. a) gibt die Stoffmenge an, die pro Zeiteinheit durch eine Einheitsflache einer Tonschicht transportiert wird. Bei geringen Durchlassigkeiten « 10-9 ml s) sind die Permeationsrate und die Zeitspanne, die ein nichtreaktiver Stoff benotigt, um durch eine Tonschicht zu gelangen, abhangig yom Konzentrationsgradienten, yom Diffusionskoeffizienten Do und von der Schichtdicke. Eine Erhohung der Verweilzeit ist in dies en Fallen nur durch die Reduzierung des Diffusionskoefizienten und durch die ErhOhung der Schichtdicke zu erreichen und weniger durch Verringerung des Durchlassigkeitsbeiwertes. Fiir eine Deponiebasisabdichtung ist die ErhOhung der Verweilzeit mit zunehmender Dicke von Vorteil, da einerseits der Schadstoffaustrag verzogert wird und andererseits die Reaktionen der Schadstoffriickhaltung zeitabhangig sind.
16.3.3 Schadstoffruckhaltung (Sorption) Geloste Stoffe werden im Grundwasser grundsatzlich langsamer transportiert als die FlieBgeschwindigkeit des Wassers selbst. Dieser Effekt beruht darauf, dass die Inhaltsstoffe in den Gesteinsporen oder an Kluftwanden zuriickgehalten werden, wodurch der Transport von lnhaltsstoffen vermindert wird. Die Schadstofftransportprognose im Grundwasser erfordert auBer den genannten hydraulischen Parametern auch Angaben tiber die Schadstoffriickhaltung (Sorption), wobei zwi-
16
434
16 Grundlagen fOr die Bewertung von Deponie- und Altlastenstandorten, Fliichenrecycling
schen Transportverzi:igerung (Retardation) und dem Riickhaltevermogen (Retention) zu unterscheiden ist. Die wichtigsten Sorptionsfaktoren sind Adsorption und Fallung (auch Mitfallung). Hinzu kommen Pufferung sowie Zerfalls- bzw. Abbauprozesse durch chemische und mikrobielle Vorgange. Diese Reaktionen finden bevorzugt in der ungesattigten Zone, in abgeschwachter Form auch in der gesattigten Zone statt. SCHNEIDER & GOTTNER (1991: 100) haben die Mobilitat verringemden Vorgange fiir verschiedene Schadstoffgruppen wie folgt zusammengestellt: Schwermetalle: Fiillung » Mitfiillung > Adsorption pol are Organika: Abbau > Adsorption> Wasserloslichkeit unpolare Organika: Wasserloslichkeit » Adsorption> Abbau
Die Schadstoffruckhaltekapazitat hangt ab yom Tonmineralanteil (Komgri:igeneffekt, Porenanteil, Porenraumstruktur) und der Art der Tonminerale, dem Kalkgehalt, dem Anteil an organischen Bestandteilen sowie dem pH-Wert des Gesteins und des Sickerwassers, femer dem Schwermetallangebot, der Kontaktzeit und den chemischen Wechselwirkungen (SCHNEIDER & BAERMANN 1991; AZZAM et al. 1997). Ein Kalkgehalt bewirkt eine Pufferungvon sauren Losungen, was ein ausgepragtes Schwermetall-Fallungsvermi:igen zur Folge hat. In der Oxidationszone kommt es zur AusfaIlung von Eisen- und Manganhydroxiden, unter Mitfallung zahlreicher Schwermetalle. 1m sauerstofffreien Bereich bilden sich vorwiegend Eisensulfide und andere Schwermetallsulfide. Bei zahlreichen Oxidations- und Reduktionsvorgangen sind Mikroorganismen wesentlich beteiligt. Fallungsprodukte konnen zu einer Verringerung des durchfluss-nutzbaren Porenraumes fiihren. Die mikrobiologische Aktivitat im Boden hangt ab von der Persistenz des Schadstoffes gegeniiber biologischen Prozessen sowie dem Nahrstoffangebot und den Milieubedingungen (pH-Wert, Eh-Wert, Feuchte u. a. m.). Der maggebende Faktor fiir die Schadstoffriickhaltung ist jedoch die Adsorption von Fremdatomen oder Molekiilen im geli:isten Zustand an den grogen Oberflachen und im Zwi-
schengitterraum der Tonminerale sowie an sedimenteigenen organischen Substanzen und an Oxiden. Tonbarrieren weisen in Abhangigkeit von ihrem strukturellen Aufbau und ihrer materiellen Zusammensetzung unterschiedlich hohe Adsorptionskapazitaten auf (RADLINGER 1997). Es handelt sich dabei urn einen begrenzten und reversibien Vorgang (Desorption), der bei quellfahigen Dreischichtmineralen erheblich gri:iger ist als bei nicht aufweitbaren Dreischicht- oder den Zweischichtmineralen (s. Abschn. 2.1.8). Bei der selektiven Anlagerung von kationischen Metallen werden hi:iherwertige Kationen gegeniiber niedrig wertigen bevorzugt. Bei den organischen Beimengungen ist der wichtigste sorptionsbestimmende Faktor der Humusstoffgehalt. Huminstoffe weisen nicht nur eine groge Oberflache auf, sondem auch eine hohe Kationenaustauschkapazitat. Bei den Untersuchungen iiber das Sorptionsverhalten werden bekannte Feststoffmengen mit wasserigen Li:isungen ins Gleichgewicht gebracht und anschliegend die Konzentrationen in der wassrigen Phase und im Feststoff ermittelt (Schiittelversuche, Saulen-Perkulationsversuche, s. WIENBERG 1998). Durch Adsorption und Fallung kann auch eine weniger hochwertige Tonbarriere eine erstaunliche Sorptionsleistung aufweisen, die auch als "Geochemische Barriere" bezeichnet wird (RADLINGER 1997). Voraussetzung ist eine entsprechend hohe Verweilzeit der Schadstoffe in der Barriere. Die Kationenaustauschkapazitat (KAK) bzw. das Kationenadsorptionsvermogen der am meisten verbreiteten Tonminerale ist in Tab. 16.2 zusammengestellt. Die KAK wird in (mmollz)/kg (ehemals Milliaquivalent mval/ 100 g) angegeben (s. a. GDA-Empfehlung E 1-11). Die Hohe der KAK ist abhangig yom Anteil der Tonfraktion, dem Tonmineralbestand, der Zuganglichkeit der Zwischenschichten (innere Oberflache) und dem Gehalt an organischer Substanz. Die Bestimmung der Kationennaustauschkapazitat (KAK) erfolgt entweder nach DIN 11 260 mit Bariumsalzli:isung oder mit Ammoniumacetatlosung (Bestimmungsmethoden und KAKWerte s. RADLINGER 1997 und GDA-Empfehlung E 3-3-3). Hi:iherwertige Kationen werden starker sorbiert als niederwertige. Danach lasst sich etwa folgende Rangfolge der Sorption aufstellen:
16.3 Deponieuntergrund
435
Tabelle 16.2 Kationenaustauschkapazitiit (KAK) von Tonmineralen und organischer Substanz in (mmol/z)/ kg = mmol,q/ 100 g TS). Tonmineral
KAK
Kaolinit
3- 15
Smeklit
SO- 120
Illit
20- 50
Vermiculit
150- 200
Chlorit
10- 40
Org. Substanz
lS0- 300
Cl < Na < NH4 < K < Mg < Zn < Pb/Hg Die Rangfolge zeigt die geringe Sorption von Chlorid und die relativ starke Sorption von Schwermetallen (s. a. ADAMCOVA 2005). Die Adsorption von Anionen und von organischen Schadstoffen an Tonen ist dagegen gering. Besonders mobil und kaum wirksamen Minderungsmechanismen unterworfen sind die niehtreaktiven Anionen Chlorid, Nitrat und Sulfat. Die Riickhaltung organischer Verbindungen ist vor allem vom Gehalt an organischen Beimen-
Abbau, Sorption
.... t;
c
o
gungen im Ton abhangig, die auch sonst eine recht hohe Adsorptionskapazitat aufweisen (GDA-Empfehlung E 1-11). Ihre Wirkung als Hauptabsorbent tritt allerdings erst ab einem Anteil von etwa 2% auf (s. Abschn. 2.2.2). Der Abbau von organischen Schadstoffen bzw. ihre Umwandlung zu sog. Metaboliten im Untergrund ist ein sehr komplexer Vorgang, bei dem besonders die Aktivitat von Mikroorganismen und das Nahrstoffangebot eine Rolle spielen. Davon wird heute bei den biologischen Bodenreinigungsverfahren in groBem Umfang Gebrauch gemacht. Bei Tonsteinen wird die Wasserwegsamkeit weitestgehend durch hydraulisch wirksame Kliifte bestimmt (s. Abschn. 16.3.1). Bei den bekannten GroBenordnungen der Kluft- und Matrixdurchlassigkeiten wird allgemein angenommen, dass ein advektiver Transport in der Matrix vernachlassigbar ist und daher das Riickhaltepotenzial der Tonsteinmatrix nieht voll genutzt werden kann. Die Tonsteinmatrix wird nieht durchsiekert, sondern nur in diffusionszuganglichen Bereiehen durch Randdiffusion von den groBen Kluftflachen aus benetzt (Abb. 16.6). Hinzu kommt eine erheblich geringere Adsorptionsfahigkeit der Tonsteine, da ein Teil der Tonmineraloberflachen durch das Bindemittel bzw. durch die diagenetische Verfestigung blockiert ist. Auch
steinsmatrix
Gesteinsmatrix (porOs)
.... p n n n )} )} )}
~
C Q) N C
o
~
U5 2c
19 I/) c
o
~
1 1
Matnxdlffuslon
Sorption I Gestemsoberfli:lche Konvektlon, DisperSion
----------I~~
.... :~
Diffusion Sorption I Gestelnsoberfli:lche
Abbau, Sorption I
111
Abbau
Kluft
steinsmatrix
Gestemsmatrix (porOs)
------~------------------------------------~
Abb. 16.6 Schematische Darstellung des Transports wasserl6slicher Stoffe in einem geklufteten Tongestein (ROSENFELD
& RONSCH 1995).
6
436
16 Grundlagen fUr die Bewertung von Deponie- und Altlastenstandorten, Flachenrecycling
auf den Kluftflachen selbst ist die Adsorptionskapazitat geringer als in der Gesteinsmatrix, wobei allerdings dunne Kluftflachenbelage von Eisen- und Manganhydroxiden die Sorption von Schwermetallen in Form von EisenhydroxidKomplexen begunstigen. Die Schadstoffadsorption und die Ausfallreaktionen bewirken, dass die Schadstoffmigration in der flussigen Phase in der Regel erheblich niedriger ist als die Abstandsgeschwindigkeit des mobilen Porenwassers (Abb. 16.7). Diese Transportverzogerung (Retardation) wird durch den Retardationsfaktor Rd ausgedruckt:
keitsbeiwert, hydraulischer Gradient, effektive und Gesamtporositat, Konzentrationsgradient, Diffusionsgradient, die Dispersivitat sowie die entsprechenden Koeffizienten der Sorptionsprozesse quantifiziert werden. Hierbei miissen haufig viele Prozesse, die das Verhalten von Stoffen im Untergrund mitbestimmen, vernachlassigt oder zumindest stark vereinfacht werden (GDAEmpfehlung E 1-10). Hinsichtlich der Langzeitwirkung toniger Barrieren ist immer wieder in der Diskussion, anstelle des k-Wertes und der chemischen Bestandigkeit der Tone entweder das Sorptionspotenzial, also das Riickhaltevermogen fUr Schadstoffe oder die Verweilzeit sowie die Permeationsraten (in mg/m2. s) zum Bemessungsund Beurteilungskriterium fiir tonige Barrieren zu machen (SCHNEIDER & GOTTNER 1991; DEMMERT et a1. 1995). Hierbei stellt die Verweilzeit nur ein Anfangskriterium dar, wahrend die Permeationsrate fUr die Langzeitwirkung maBgebend ist. Fiir nicht abbaubare Stoffe erfolgt dabei zwar eine Reduzierung der Schadstoffmengen, bei Oberschreiten der Riickhaltekapazitaten wird jedoch der Austrag nicht verhindert, sondern nur zeitlich verzogert, denn die Sorption ist eine reversible Reaktion. Durch Veranderungen von pH-Wert, Temperatur oder Redoxpotenzial sowie durch andere Losungsvermittler kann es zu Desorption bzw. einer Remobilisierung von Schadstoffen kommen. Durch das Auftreten von meist organischen Komplexbildnern kann z. B. die Schwermetallbindung praktisch vollkommen aufgehoben werden. Solange der Komplex stabil bleibt, findet keine Riickhaltung von Schwermetallen statt. Ihre Mobilitat kann dann derjenigen eines nichtreaktiven Stoffes entsprechen (SCHNEIDER & GOTTNER 1991). Urn das Sorptionsvermogen von Tongesteinen moglichst langfristig zu erhalten, ist darauf zu
mittlere Abstandsgeschwindigkeit des Wassers V, = mittlere Transportgeschwindigkeit des Schadstoffes (s. d. KLOTZ 1990, der weitere hydraulische KenngroBen beschreibt). Va
=
Die mittlere Transport- bzw. Migrationsgeschwindigkeit eines Schadstoffes v, ist dann: va_= __ k·i =__
v t
no . Rd
no . Rd
(s. a. Abschn. 2.8.1 und 2.8.6 sowie WIENBERG 1998).
Die Schadstoffrlickhaltung oder Sorption bewirkt eine wesentliche Verminderung der Permeationsrate bzw. eine Erhohung der Verweilzeit urn den Faktor 10 bis 1000. Urn eine numerische Simulation der Schadstoffausbreitung in Deponieabdichtungen durchfUhren zu konnen, miissen die Transportmechanismen Advektion, Dispersion, Diffusion und Sorption sowie ihre Parameter, d. h. Durchlassig-
Transpotl rnt dem Grundwa_r
---..
RlChtung • Geschwlndlllkert
nur KonvektlOn Abb. 16.7 Schadstofftransportmechanismen im Grundwasser und die entsprechende Konzentrationsverteilung.
16.3 Deponieuntergrund
achten, dass Stoffe ferngehalten werden, die das Reaktionssystem negativ beeinflussen. Verhindern lasst sieh die Remobilisierung von Schadstoffen nieht, da in Hausmiilldeponien langfristig Garungsprozesse und andere biologisch-chemische Reaktionen ablaufen, welche sowohl den pH -Wert als auch die Siekerwasserkonzentration mit der Zeit verandern (SCHNEIDER & GOTTNER 1991: 117).
16.3 4 Chemische Bestandigkeit der Tonmmel ale Die Wirksamkeit von Tonmineralen in natiirlichen und technischen Schadstoftbarrieren wurde u. a. von KOHLER &, USTRICH (1988) beschrieben. Wahrend die Zusammensetzung und das Gefiige von Tonen, die speziellen physiko-chemischen Eigenschaften sowie die Transportvorgange innerhalb der Tone in ihren qualitativen Beziehungen relativ gut bekannt sind, besteht bis heute Forschungsbedarfhinsiehtlieh des komplexen Zusammenwirkens der unterschiedlichen Einflussfaktoren und der chemischen Bestandigkeit der Tonminerale. Fiir die Langzeitbetrachtung des Schadstofftransportes ist die chemische Bestandigkeit toniger Barrieregesteine bei langfristigem Kontakt mit den verschiedenen Abfallarten bzw. kontaminierten Siekerwassern zu beachten. Nach der GDA-Empfehlung E 3-1 und anderen Autoren hangt die Langzeitbestandigkeit toniger Barrieregesteine von folgenden Prozessen ab: Anderung der Durchlassigkeit Anderung der Tonmineralanteile (Mineralbestand) Anderung des Bindemittels Anderung der Kornverteilung Anderung des Quellverhaltens Anderung der Plastizitat Anderung der Wasseraufnahme. Die Untersuchung solcher Alterationsprozesse von Tonen ist die Grundlage fiir die Bewertung und Prognostizierung ihrer Langzeitbestandigkeit (s. d. a. TADJERPISHEH & KOHLER 1998). REUTER (1987, 1988) beriehtet iiber Langzeituntersuchungen an drei verschiedenen Kreidetonen aus Niedersachsen, die mit anorganischen und organischen Sauren sowie SchwermetallsalzlO-
437
sung und organischem, synthetischem Siekerwasser durchstromt worden sind. Dabei zeigte sieh bei allen Priiffliissigkeiten anfanglieh eine mehr oder weniger deutliehe Erhohung der Durchlassigkeit, die sieh aber mit langerer Versuchsdauer stabilisiert hat, allerdings auf einem hoheren Niveau als zu Versuchsbeginn. WAGNER (1988) und KOHLER (1989) beschreiben auch Veranderungen des Mineralbestandes von Tonen und ihrer plastischen Eigenschaften (Quellvermogen) beim Kontakt mit schwermetallsalzhaltigen bzw. elektrolytreichen oder organischen Losungen. Die bisherigen Ergebnisse solcher LangzeitPerkulationsversuche sind eine: Auflosung des Kalzits, Reduzierung der Quellfahigkeit der Smektite, Abnahme der Plastizitat und eine Kornvergroberung durch Aggregatbildung. SMYKATZ-KLOSS & BURCKHARDT (1986. darin Lit.) sowie ECHLE et a!. (1988) und DULLMANN et a!. (1989) berichten ebenfalls iiber Wechselwirkungen zwischen Tonen und sauren Deponiesickerwassern, die zu Veranderungen der Tone gefiihrt haben. Nach 8-jahriger Einwirkung von Deponiesickerwasser auf eine mineralische Basisabdiehtung aus Reuver-Ton war eine tiefenabhangige Veranderung im Mineralbestand und in den geotechnischen Eigenschaften der oberen 15 bis 45 cm der Diehtungsschieht festzustellen. Unter Sickerwassereinfluss erfolgte eine Reduzierung des Smektitanteils infolge Umwandlung der Tonminerale in Mixed-Layers und schlieBlich in Illit sowie eine teilweise Auflosung des karbonatischen Bindemittels und Neubildung von Schwermetallkarbonaten. Damit verbunden war eine Abnahme der Plastizitat, der Sorptionskapazitat sowie der Quellfahigkeit der Tone. USTRICH (1991) hat bei drei nord- und siiddeutschen Tonen keine derartigen Veranderungen des k- Wertes festgestellt und auch PIERSCHKE & WINTER (1994) beriehten, dass die Beaufschlagung von verschiedenen Tonen des Rheinischen Braunkohlereviers mit Deponiesickerwassern die abdiehtende Wirkung der Tone nieht gemindert hat. Fliissige Kohlenwasserstoffe, die in Wasser loslich (Alkohole) oder mischbar sind, verandern die GroBe der Doppelschichten urn die Tonpartike!. HASENPATT et a!. (1988) zeigten, dass bei
16
438
16 Grundlagen fUr die Bewertung von Deponie- und Altlastenstandorten, Flachenrecycling
montmorillonithaltigen Tonen durch Einlagerungen von organischen Schadstoffionen sowohl die Bruch- und Scherfestigkeit signifikant erhoht als auch die Quelldriicke deutlich emiedrigt wurden. Allgemein ist danach von einer deutlichen Veranderung der bodenmechanischen Kennwerte, auch der Durchlassigkeit, auszugehen, wenn fliissige Kohlenwasserstoffe auf Tone, insbesondere Smektite, einwirken (Lit. s. WIENBERG 1990; BEHRENS (1995) und HOFMANN (1997). Die Ergebnisse zeigen, dass Tone nicht ohne genauere Untersuchung der wichtigsten tonmineralogischen und bodenphysikalischen Parameter und der Wechselwirkungen mit Sickerwassem als Barrieregestein eingesetzt werden sollten. Insgesamt ist festzustellen, dass in den 1980er Jahren bei der Eignungspriifung von Tonen die Bedeutung zu sehr auf QuelWihigkeit, geringe (Anfangs- )Durchlassigkeit und hohem Kationenaustauschvermogen der Tonminerale gelegt worden ist, was zwangslaufig zu einer Bevorzugung quelWihiger Dreischichtsilikate der Smektitgruppe gefUhrt hat. Diese und besonders die kiinstlich aktivierten Na-Bentonite sind aber gegeniiber physiko-chemischen Wechselwirkungen mit den Sickerwasserinhaltsstoffen verhaltnismaBig instabil und konnen strukturelle Veranderungen in Form von Rissebildung, Erhohung der Durchlassigkeit und der Diffusionseigenschaften erleiden (RADLINGER 1997). Die nicht quelWihigen Illite und besonders die ZweischichtSilikate der Kaolinitgruppe sind chemisch weitaus stabiler, weisen allerdings nur eine geringe Kationenaustauschfahigkeit auf. Als Konsequenz fUr die Langzeitbestandigkeit von mineralischen Dichtungsschichten bietet sich an, die zwei Gruppen der Tonmineraltypen einer Basisabdichtung zu kombinieren, d. h. in unterschiedlichen Schichten einzubauen. Die GDA-Empfehlung E 2-38 unterscheidet dafiir drei unterschiedliche Dichtungssysteme: verschiedene bentonitische Adsorptionsschichten iibereinander kaolinitische bzw. illitische Dichtschicht iiber bentonitischer Adsorptionsschicht (ehem. Hannover Modell) bentonitische Adsorptionsschicht iiber kaolinitischer bzw. illitischer Dichtschicht (ehem. Karlsruher Modell).
Die GDA-Empfehlung gibt ausfUhrliche Hinweise zur Materialauswahl und zum Einbau dieser und weiterer Dichtungssysteme dieser Art.
16.4 Untersuchung und Bewertung von Verdachtsflachen 16.4.1 Grundlagen Die Untersuchung und Bewertung von Verdachtsflachen und Altlasten ist seit EinfUhrung des Bundesbodenschutzgesetzes (BBodSchG) und des untergesetzlichen Regelwerks der Bundesbodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV) im Jahre 1999 (s. Abschn. 16.1) bundeseinheitlich geregelt. Dazu gehoren auch nachfolgende Begriffsbestimmungen: Boden im Sinne des Bodenschutzgesetzes ist die oberste Schicht der Erdkruste, soweit sie Trager der im Gesetz genannten natiirlichen Bodenfunktionen ist. Dazu gehoren auch der Sickerwasserbereich und der wassergesattigte Boden, nicht aber das Grundwasser selbst, das unter den Regelungsbereich des Wasserrechts Wit. Schadliche Bodenveranderungen i. S. des BBodSchG sind Beeintrachtigungen der Bodenfunktionen, die geeignet sind, Gefahren bzw. erhebliche Nachteile oder erhebliche Belastigungen fUr den Einzelnen oder die Allgemeinheit herbeizufiihren. Altlastverdachtige Flachen sind Altablagerungen und Altstandorte, bei denen der Verdacht auf derartige schadliche Bodenveranderungen besteht. AItablagerungen sind stillgelegte Abfallbeseitigungsanlagen sowie sonstige Grundstiicke, auf denen Abfalle behandelt, gelagert oder abgelagert worden sind. Altstandorte sind Grundstiicke stillgelegter Anlagen und sonstige Grundstiicke, auf denen mit umweltgefahrdenden Stoffen umgegangen worden ist. Altlasten im Sinne des BBodSchG sind Altablagerungen und Altstandorte, durch die schadliche Bodenveranderungen oder sonstige Gefah-
439
16.4 Untersuchung und Bewertung von Verdachtsfliichen
ren fiir den Einzelnen oder die Allgemeinheit hervorgerufen werden. Ziel des BBodSchG ist eine einheitliche und verbindliche Vorgehensweise fUr die Erfassung, Bewertung und Sanierung von schadlichen Bodenveranderungen und auch von Grundwasserverunreinigungen. Eine gewisse Besonderheit stellen, auch i. S. des BBodSchG (§ 3, Abs. 2 und § 23), militarisch genutzte Liegenschaften bzw. Konversionsliegenschaften und Kriegsaltlasten dar. Fiir solche Riistungsaltstandorte ist die Handlungsanweisung "Erkundung von Altstandorten der Militarproduktion und des Militarbetriebs (Riistungsaltstandorte) - Entmunitionierung" (1999) zu beachten. Grundsatzlich weisen militarische Liegenschaften, auch auslandischer Streitkrafte, ahnliche Kontaminationsprofile auf wie industrielle oder gewerbliche Altstandorte, doch sind je nach Flachennutzung spezielle Kontaminationen zu erwarten und der Untersuchungsumfang dar-
auf abzustellen (KLOCKOW & GOLLMER 1998 und WaBoLu-Liste fiir sprengstofftypische Verbindungen 1994). Die Untersuchung und Bewertung von Verdachtsflachen erfolgt auf der Grundlage des BBodSchG in abgestuften Schritten (Tab. 16.3) nach standardisierten Untersuchungsmethoden gemaB Anhang 1 BBodSchV. Die Untersuchungen erfolgen getrennt fUr die Wirkungspfade Boden-Mensch, Boden-Nutzpflanze und BodenGrundwasser unter Einbeziehung der Bodenluft. Bei den Untersuchungen zum Wirkungspfad Boden-Mensch sind als Nutzungen Kinderspielflachen, Wohngebiete, Park- und Freizeitanlagen sowie Industrie- und Gewerbegrundstiicke und beim Wirkungspfad Boden-Nutzpflanze Ackerbau und Nutzgarten sowie Griinland zu unterscheiden. Weitere Schutzgiiter sind Gewasser einschlieBlich Grundwasser (Wasserhaushaltsrecht) und auch die Luft (Immissionsschutzrecht).
TabeUe 16.3 Ablaufschema fUr die Untersuchung und Bewertung von Verdachtsfliichen. 1 Erfassung- und Gefiihrdungsabschiitzung Erfassung beprobungslose Bewertung Sammlung und Auswertung relevanter Daten GefahrdungsabschiHzung Erstbewertung erste Risikoeinschatzung Prioritatensetzung zur weiteren Vorgehensweise Orientierende Untersuchung Fragestellung nach der Gefahr fur die 6ffentliche Ordnung Verifizierung und Qualifizierung auf der Grundlage harter Daten Detaillierte Untersuchung Umfassende Ermittlung von Art und AusmaB der festgestellten Gefahrdung Darstellung und Charakterisierung der Gefiihrdung sowie Quantifizierung. 2 Sanierungsuntersuchung Ermittlung der zweckmaBigen und verhaltnismaBigen MaBnahmen, nutzungsbezogen. Vorschlag des Gutachters fUr Art und Umfang der Sanierung, Konkretisierung und Festlegung der Schutz- u. Sanierungsziele, auf den Einzelfall bezogene Grundlagenermittlung und Vorplanung. Vorauswahl geeigneter Sicherungs- oder Dekontaminationsverfahren. Priifung der Verfahren mittels vorgegebener Beurteilungskriterien. ----------------------------~
3 Sanierungsplanung 4 SanierungssausfUhrung 5 Oberwachung 6 Nachsorge
6
440
16 Grundlagen fUr die Bewertung von Deponie- und Altlastenstandorten, Flachenrecycling
Die Bewertung erfolgt anhand von Tabellenwerten der BBodSchV, Anhang 2. Diese beschranken sich auf Pruf- und z. T. MaBnahmenwerte fUr Boden, Prufwerte fur Sickerwasser im Obergangsbereich zur Grundwasseroberflache sowie Vorsorgewerte fUr Boden. Andere, in der Praxis haufig gefragte Angaben, wie Bodenluftwerte, Sanierungszielwerte, Einleit- oder Einbauwerte sind in der BBodSchV nicht definiert, sind aber in zahlreichen Verwaltungsvorschriften der Bundeslander enthalten (s. d. 4. Auflage). Nach dem Grundgedanken, dass es im Wasser- und Bodenschutzrecht keine unterschiedlichen BeurteilungsmaBstabe hinsichtlich der Gefahrdungseinschatzung geben sol1te, werden entsprechend den Prufwerten der BBodSchV fur den Wirkungspfad Boden - Grundwasser fUr Letzteres sog. GeringfUgigkeitsschwellenwerte diskutiert (s. Abschn. 16.1). Nach dem BBodSchG kann von den zustandigen Behorden verlangt werden, dass bestimmte Aufgaben von Sachverstandigen oder Untersuchungsstellen nach § 18 durchgefUhrt werden, welche die fUr diese Aufgaben erforderliche Sachkunde und Zuverlassigkeit aufweisen sowie uber die erforderliche geratetechnische Ausstattung verfUgen. Die Bestellung der Sachverstandigen erfolgt durch den Deutschen Akkreditierungsrat (DAR) und zwar fur verschiedene, z. T. recht enge Sachgebiete (z. B. Probenahme, Analytik usw.). Zulassungsstelle ist dann die regionale IHK. Der DAR fUhrt eine Liste der akkreditierten Ingenieurburos und Pruflaboratorien.
16.4.2 Untersuchung und Gefahrdungsabschatzung Liegen Anhaltspunkte fUr das Vorliegen einer schadlichen Bodenveranderung oder einer Altlast vor (s. BBodSchV § 3, Abs. 1 und 2), so wird die betreffende Flache nach der Erfassung zunachst einer orientierenden Untersuchung unterzogen (Tab. 16.3). Hierbei werden bereits erste Aufschlusse und Parameteruntersuchungen von Bodenmaterial, Bodenluft und Sickerwasser gemaB Anhang 1 der BBodSchV vorgenommen. Die Ergebnisse der orientierenden Untersuchung sind unter Beachtung der Standortbestimmung und Nutzung anhand der Prufwerte der BBo-
dSchV, Anhang 2 (s. Tab. 16.4) zu bewerten. Liegen die Schadstoffgehalte unter den jeweiligen Prufwerten, ist der Verdacht einer schadlichen Bodenveranderung oder Altlast ausgeraumt. Auch bei geogen bedingten Schadstoffgehalten (s. Abschn. 16.4.2.3) liegt keine schadliche Bodenveranderung vor, es sei denn, sie konnen in erheblichen Umfang freigesetzt werden. Liegen konkrete Anhaltspunkte vor, die einen hinreichenden Verdacht einer schadlichen Bodenveranderung oder Altlast begrunden, solI eine Detailuntersuchung durchgefUhrt werden, bei der auch eine Abgrenzung der Flache vorgenommen wird. Derartige konkrete Anhaltspunkte sind gegeben, wenn eine Oberschreitung der Prufwerte der BBodSchV, Anhang 2 zu erwarten ist oder vorliegt. Die Ergebnisse der Detailuntersuchung sind unter Beachtung der ortlichen Gegebenheiten (Standort, Nutzung) anhand der MaBnahmewerte in Anlage 2 der BBodSchV zu bewerten. Pruf- und Ma6nahmewerte liegen nur fur eine begrenzte Anzahl von Stoffen fUr unterschiedliche Nutzungen und Wirkungspfade vor. Soweit in der BBodSchV fUr einzelne Stoffe kein Prufoder MaBnahmenwert festgesetzt ist, sind zunachst die Situation zu beschreiben und die relevanten Gefahren, etwa aufgrund der Mobilitat der Schadstoffe, aufzuzeigen. Bei Sanierungsuntersuchungen ist zu prufen, mit welchen MaBnahmen eine Sanierung erreicht werden kann. Dabei sind auch SicherungsmaBnahmen in Betracht zu ziehen, wenn sichergestellt ist, dass danach dauerhaft keine Gefahr fUr die Allgemeinheit besteht. Auf land- und forstwirtschaftlich genutzten Flachen konnen auch Nutzungsbeschrankungen vorgesehen werden. Liegt eine akute Gefahrensituation vor, so sind unabhangig yom Phasenkonzept umgehend MaBnahmen zur Gefahrenabwehr zu veranlassen.
16.4.2.1 Erkundungsarbeiten Die Untersuchungen muss en sich auBer dem Bodenmaterial auch auf die leichtfluchtigen Schadstoffe in der Bodenluft, auf das Sickerwasser und den Dbergang in das Grundwasser erstrecken. Bei Detailuntersuchungen sind dabei die maBgeblichen Emissionswege der einzelnen Wir-
16.4 Untersuchung und Bewertung von Verdachtsflachen
kungspfade zu erfassen. Art und Auswahl der Aufschluss- und Probenahmeverfahren richten sich nach der Zielsetzung, dem Untergrund und dem zu erwartenden Schadstoffinventar. Die Anordnung der Bohrpunkte richtet sieh nach der Aufgabenstellung und der Mogliehkeit, das Bohrpunktraster bei Bedarf in mehreren Schritten zu verdiehten. Die Aufnahme des Bohrgutes erfolgt bevorzugt nach bodenkundliehen Gesiehtspunkten (s. Kartieranleitung AG Bodenkunde der Geologischen Dienste von 2006). Die Schiehtenverzeiehnisse nach oder in Anlehnung an DIN ISO EN 22475-1 (s. Abschn. 4.5) sind dafur unzureiehend. Bei der Bodenansprache muss verstarkt auf die Bodenverfarbung geachtet werden, die Auswaschungs- bzw. Anreieherungshorizonte erkennen lasst (z. B. Oxidations- oder Reduktionsflecken). Auch der Humus-, Kalkoder Tongehalt sind wiehtige Indikatoren, ebenso die Intensitat von Wurzelrohren oder anderen GroBporen. AuBerdem ist auf bodenfremde Bestandteile zu achten, wie RuB, Holz, kohlige Substanzen, Schlacken, Aschen, Metallteile, Scherben, Plastik, Beton- und Ziegelbrocken u. a. m. (s. SCHULZ & WIENBERG 1994; BLUME 1994). Die organoleptische bzw. sensorische Ansprache der Bohrproben hat sofort nach der Entnahme aus dem Bohrwerkzeug zu erfolgen oder es mussen Schlauchkernrohre eingesetzt werden, bei denen das Bohrgut in einem Folienschlauch oder einer Kunststoffhulse, einem sog. Liner, gewonnen wird (s. Abschn. 4.4.5.1). Eine wirksame Ruckhaltung fluchtiger Schadstoffe erfolgt nur durch Liner. Folienschlauche verlangsamen die Ausgasung lediglich. Auch die Probennahme fur chemische Untersuchungen hat sofort nach der Gewinnung der Proben zu erfolgen. Fur die Entnahme und Untersuchung von Boden- und Wasserproben liegt eine Vielzahl von Normen, Regeln, Richtlinien, Merkblattern (DVWK) und Handlungsempfehlungen vor. Eine reprasentative Probe solI eine moglichst zutreffende Aussage uber die Schadstoffkonzentration eines bestimmten Entnahmebereichs ermoglichen. Die Anzahl der Proben hangt ab von der Heterogenitat des Bodens und der Schadstoffkonzentration sowie der benotigten Aussagesieherheit. Bei allen Aufschlussarbeiten und Probenahmen in kontaminierten Bereiehen sind die berufsgenossenschaftlichen Regeln fur Sicherheit
441
und Gesundheitsschutz fur Arbeiten in kontaminierten Boden (BGR 128) zu beachten (Sicherheitsstiefel, Schutzhandschuhe, Schutzanzuge, Atemschutzgerate). Das von Rustungsaltlastverdachtsflachen ausgehende Gefahrdungspotenzial ist insgesamt deutlieh hoher einzustufen als das von herkommlichen kontaminierten Flachen. Bei allen Aufschlussarbeiten ist ferner zu beachten, dass keine schadliehen Verlagerungen im oder in das Grundwasser entstehen (sog. Verlagerungsverbot), was allerdings in der Praxis kaum zu gewahrleisten ist.
16.42.2 Analysenergebnisse nd Bewertung Die Gefahrdungsabschatzung basiert auf chemischen Analysenergebnissen gemaB Anhang 1 der BBodSchV, in der sowohl die Probenvorbehandlung als auch die Extraktions- und die Analysenverfahren festgelegt sind. Obwohl an die Qualitat der Labore hohe Anforderungen gestellt werden (ausgewahlte Untersuchungsstellen gemaB § 18 BBodSchG) und die Analysenverfahren genormt sind, ist jedes Analysenergebnis nieht nur mit einem meist nieht exakt bestimmbaren systematischen Analysenfehler behaftet, sondern es liegen daruber hinaus eine Reihe weiterer Fehlermoglichkeiten mit erheblich groBeren Prozentanteilen vor, wie Z. B. Probennahme und -behandlung (s. BREDER 1994). Dazu kommt die Heterogenitat der Schadstoffverteilung in Boden, so dass Abweiehungen mit einem Ungenauigkeitsfaktor 2 nieht selten sind. Aus diesen Grunden sollten Messergebnisse aus dem Labor immer Angaben zur Analysengenauigkeit enthalten und die Werte durfen nieht nur in Tabellen aufgelistet sein, sondern muss en aufbereitet und zu verstandliehen Informationen verdiehtet werden. Ungewohnlich hohe Messwerte muss en nach den Bedingungen des Einzelfalls kommentiert werden. Ein reiner Wertevergleieh ist nieht sachgerecht. Auch yom weiteren Bearbeiter ist jeweils eine Plausibilitatsprufung vorzunehmen. In Zweifelsfallen und bei Ergebnissen in der Nahe eines vorgegebenen Grenzwertes sind, falls Ruckstellproben vorhanden sind, Kontrollanalysen vorzunehmen, die in entscheidenden Fallen von einem anderen Labor durchgefiihrt werden sollten. Sofern eine Neube-
16
442
16 Grundlagen fUr die Bewertung von Deponie- und Altlastenstandorten, Flachenrecycling
probung erforderlich wird, ist auf eine reprasentative Probennahme sowie auf vergleichbare Mengen, Lagerung und Behandlung der Proben zu achten.
16423 Geogene Grundbelastung und ublquita e Hmtergrundgehalte Besondere Bedeutung in der i:ikologischen Diskussion haben die Begriffe geogene Grundbelastung und ubiquitare Hintergrundgehalte. Die geogene Grundbelastung wird bestimmt durch die lithogenen Gehalte des Ausgangsgesteins, aus denen im Zuge der Bodenbildung die geogerte Grundbelastung entsteht (BAUER et al. 1992). Der Hintergrundgehalt eines Bodens setzt sich zusammen aus der geogenen Grundbelastung und der ubiquitaren Stoffverteilung als Folge diffuser, z. B. durch die Bewirtschaftung bedingter Eintrage. In Anlehnung an diese Definitionen der LABO (1995) werden auch beim Grundwasser sinngemaBe Zustandsbeschreibungen hinsichtlich natiirlicher Inhaltsstoffe verwendet. Erster Anhaltspunkt fiir eine natiirliche geochemische Grundbelastung geben die sog. Boden -Clarke-Werte, d. s. Durchschnittswerte der Bi:iden der gesamten Erde (s. VOLAND et al. 1994). Ie nach geochemischer Provinz kann die geogene Grundbelastung jedoch sehr unterschiedlich sein. Einige Boden-Clarke-Werte sind z. B.: Pb - 12 ppm
As
5ppm
Cd - 0,5 ppm Zu
- 50ppm
Cu - 20ppm
Sn - 10 ppm
Die regionale geogene Grundbelastung weist besonders bei Eisen, Mangan, Nickel, Chrom, Kupfer, Blei, Zink und z. T. auch Arsen sowie bei Sulfat und Chlorid oft Werte auf, die z. T. weit oberhalb aller Richtwerte liegen (Tab. 16.4 und HARRES et al. 1985; GOLWER 1989; HINDEL & FLEIGE 1990; METZNER et al. 1994; VOLAND et al. 1994).
Regional treten besonders bei Chrom (variszische Tonschiefer, Grundgebirge), Nickel (Vulkangebiete) oder Arsen (Erzgebirge, Vogtland - s. METZNER et al. 1994) Tabellenwertiiberschreitungen auf, ebenso wie bei zahlreichen Erzbegleitmineralen (Chrom, Kupfer, Cadmium, Nickel, Arsen, Blei, Zink) in den Austrichgebieten des Kupferschiefers (Zechstein), des Unter- und Mitteljura und auch spezieller erzhaltiger Banke des Keuper (Vitriolschiefer des kul), im Muschelkalk (Bleiglanzbank, mul/2) oder auch Tertiar (Fischschiefer - s. HAID & HAMMER 2009). Arsen kann auch in Ausscheidungen von Mineralwassern auftreten (s. ROSENBERG & MITTELBACH 1996). Ober spezielle Untersuchungen geogener Schwermetallgehalte von Li:issbi:iden berichten BAUER et al. (1992) und BECK (1993). Einen bundesweiten Uberblick iiber charakteristische Elementgehalte in Abhangigkeit von den verschiedenen Gesteinstypen und auch aus verschiedenen Bodenhorizonten bringt das BGR-Methoden Handbuch Deponieuntergrund, Bd. 6: 46 ff, darin Lit.). Auch in den Erlauterungen moderner geologischer Karten 1: 25000 sind oft Analysenergebnisse regionaler Boden- und Gesteinsarten zu finden. Bei der Bewertung geogener Schwermetallgehalte ist zu beriicksichtigen, dass geogene Verbindungen im Allgemeinen wesentlich stabilere Bindungsformen aufweisen als anthropogene Anreicherungen von potentiellen Schadstoffen. In Gebieten mit oberflachennah ausstreichenden vererzten Gesteinen und in Bergbaugebieten mit z. T. alten erzhaltigen Halden treten haufig auch Schwermetallgehalte im Grundwasser und in den i:irtlichen Vorflutern auf, welche die zulassigen Grenzwerte iiberschreiten ki:innen (REINHARDT 1987). Abgesehen von einer verbreiteten Belastung mit Schwermetallen (s. Tab. 16.5) ist eine ubiquitare Hintergrundbelastung mit chlorierten Kohlenwasserstoffen, die entgegen friiherer Annahmen teilweise auch natiirlichen Ursprungs (Synthese durch Makroalgen) sein ki:innen (WENDLAND & LEBSCHER 1990) zum iiberwiegenden Tei! aber diffuse Verunreinigungen durch Auswaschung aus der Atmosphare darstellen, keine Seltenheit. Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) werden z. B. nicht nur bei industriellen Prozessen freigesetzt, sondern treten auch als Abbauprodukte bei natiirlichen Ver-
443
16.4 Untersuchung und Bewertung von Verdachtsflachen
Tabelle 16.4 PrOfwerte der BBodSchV fOr die direkte Aufnahme von Schadstoffen bei verschiedenen Nutzungen. Prutwerte [mg/kg Tg] Stoff
Klndersplelflachen
Wohngebiete
Park- u. Freizeitanlagen
Industrie- und Gewerbegrundstucke
Arsen
25
50
125
140
Blei
200
400
1000
2000
Cadmium
10')
20')
50
60
Cyanide
50
50
50
100
Chrom
200
400
1000
1000
Nickel
70
140
350
900
Quecksilber
10
20
50
80
Aldrin
2
4
10
Benzo(a)pyren
2
4
10
DDT
40
80
200
Hexachlorbenzol
4
8
20
200
Hexachlorcyclohexan (HCHGemisch oder fj-HCH)
5
10
25
400
Pentachlorphenol
50
100
250
250
Polychlorierte Biphenyle (PCB.)~)
0,4
0,8
2
40
12
1) In Haus- und Kleingarten, die sowohl als Aufenthaftsbereich fOr Kinder als auch fOr den Anbau von Nahrungsmitteln genutzt werden, ist fOr Cadmium der Wert von 2,0 mgjkg und fOr B(a)p vom 1 mgjkg TM als PrOfwert anzuwenden. 2) Soweit PCB-Gesamtgehalte bestimmt werden, sind die ermittelten MeBwerte durch den Faktor 5 zu divdieren.
brennungsvorgangen auf. AuBer den ubiquitaren Eintragen treten auch lokale Kontaminationen auf, z. B. durch Autoabgase, Reifenabrieb von AsphaltstraBen und aus Miill- und Klarschlammkomposten. Durch ihre geringe Wasserloslichkeit reichern sie sieh in der feinkornigen Bodenmatrix an. Dber PAK- und PCB-Gehalte (Polychlorierte Biphenyle, seit 2004 verboten) landwirtschaftlieh genutzter Oberboden beriehten JONEK & PRINZ (1994). Auch Dioxine und Furane werden landesweit immer wieder festgestellt. Dioxine natiirliehen Ursprungs sind Ende der 1990er Jahre in Tonrohstoffen des Westerwaldes (s. Abschn. 2.1.8) gefunden worden. Dariiber hinaus wird das Auftreten von Dioxinen und Furanen meist auf diffusen
Luftschadstoffeintrag (sog. Schwebstaub) aus atmospharischem Ferntransport oder lokalen Emissionen zuriickgefiihrt. Auch sie entstehen in Spuren nieht nur durch industrielle Tatigkeiten (z. B. Stahlwerke oder Miillverbrennungsanlagen), sondern auch durch Waldbrande oder sonstige Feuerstatten, wo behandelte Holzreste (Spanplatten, Mobelstiicke) oder Verpackungsabfalle und besonders PCB-haltige Diehtungsmassen verbrannt werden. Untersuchungen haben gezeigt, dass schon in vor einhundert Jahren abgelagerten Sedimenten des Bodensees Dioxine und Furane auftreten, deren Konzentration im Zeitraum 1940 bis 1950 stark ansteigt, aber ab 1975 wieder deutlich abnimmt (MULLER & NEGENDANK 1991). Der AusstoB dieser Giftstoffe wurde
6
Tone bis karbonatische Tone
66-'49
9-22
19'7 -6349
< 3-7
54-141
28-92
114-276
< 0,05
34' -591
10-11
155-183
11- 14
2636-3235
< 3-5
70-98
50-70
106-185
Cd
Cr
Ga
Ni
Pb
Ti
U
V
Zn
Zr
Mergelsteine
3
5
61-100
29-71
29-102
< 3-6
1018-2935
16-20
26-84
6-37
8-25
< 8-32
< 3-5
'20-1078
5-9
5-27
11-39
72-106
4792" nn 56-95 39-69 463-562
< 3-4 178-425 33-36 320-323
18-75
347-456
30-49
46-63
nn
15-60
'0-22
7-19 13-38
16-24
9-22 18569-19827
18-48 32-42 29-49
1-6
nn nn
1-7
39-46
29-32
9
: n=34
,
56-78
10-14
2-6
16-51
104-124
406-452
< 8-26
29-144 6-14
nn
nn
3-9
8
n'" 15
,I
n = 36
nn
~
7
< 0,05
nn-14
n=5
"
II
II
< 0,05-0,11
-~I
Losslehm
6
0,06-0,'4
3-11
n=2
11
nn-18
II I'
I
~
i~ Basaltzersatz
I.
4-21
6-'9
n=4
Karbonate bis tonige Karbonate
4
14-113
30-226
5-35
:. n = 3
I
II
~
Hinweis: Werte der Spalten 1-6 und 8 wurden rontgenspektrometrisch bestimmt (Ausnahme Cd). die Spalten 7 und 9 nach Konigswasseraufschluss gem. DIN 38414, s. Text (Unterbefunde bei Cr); nn = nicht nachweisbar « Nacheisgrenze); * nur ein Wert (Hess. LA Bodenbodenforschung)
15-26
22-91
< 0,05-0,12
10-220
11-235
B
9-69
3-8
" n=7
I
As
n=3
Glimmersand
2
Tabelle 16.5 Geogene Grundbelastung einiger Elemente in tertiaren und quartaren Lockergesteinen des Rhein-Main-Gebietes in mg/kg TS (nach Hess. LA Bodenforschung, Spalten 6 bis 9 erganzt).
......
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0
lOundZ 1.1 bzwZ 1.2
2
eingeschrankter offener Einbau mit definierten technischen SicherungsmaBnahmen (.nicht oder nur gering wasserdurchlassige Bauweise")
> Z 1.1 bzw. Z 1.2 und !':Z2
3-5
Einbau/ Ablagerung in Deponien
>Z2
o
Tabelle 16.9 Zuordnungswerte fUr Bodenmaterial im Feststoff und Eluat fUr bodeniihnliche Anwendungen (Z O-Z 2), zusammengestellt nach LAGA-TR Boden (2003). Parmeter
Dimension
Z O·
ZO
ZO
ZO
Sand
lehm/ Schluff
Ton
pH-Wert '
Z1 Z 1.1
Z2 Z 1.2
6,5 - 9,5
6- 12
5,5- 12 2000
Leitfahigkeit '
IlS/cm
250
1500
Chlorid
mg/I
30
50
100
Sulfat'
mg/I
20
50
200
Arsen
mg/kg TS
10
15
20
15 14
Ilg/I Blei
mg/kg TS
40
70
100
140
mg/kg TS
0,4
1,0
1,5
mg/kg TS
30
60
100
mg/kg TS
20
40
60
80
mg/kg TS
15
50
70
mg/kg TS
60 400
60 150
15
6 600
25 120
100
IJg/1 Thallium
3
20
200 10
180 12,5
Ilg/I Nickel
80 3,0
120
60 700
1,5
Ilg/l Kupfer
210
1,0
Ilg/I Chrom (gesamt)
150 20
40
Ilg/I Cadmium
45
20
100 500 70
0,4
0,7
1,0
0,7
2,1
7
0,1
0,5
1,0
1,0
1,5
5
Ilg/i Quecksilber
mg/kg TS
0,5
Ilg/i link
mg/kg TS Ilg/I
60
150
200
300
2 450
150
200
1500 600
451
16.6 Verwertung von Bodenaushub und Bauschutt
16
Tabelle 16.9 (Fortsetzung) Parmeter
Cyanide, gesamt
Dimension
ZO
ZO
ZO
Sand
Lehmj Schluff
Ton
Z O'
EOX
mg/kg TS
Kohlenwasserstoffe
mg/kg TS
BTX
mg/kgTS
lHKW
mg/kg TS
PCB 6
10
5 0,5 (I,OP
100
100
100
200 (400)'
mg/kg TS
0,05
0,05
0,05
0,1
PCB ,.
mg/kg TS
3
3
3
3
Benzo(a)pyren
mg/kg TS
0,3
0,3
0,3
0,6
Phenolindex
10
3
I-Ig/I Masse-%
Z 1.2
Z 1.1
mg/kg TS
TOC
Z2
Z1
5
3
10 1000 (2000)
0,15
0,5
9
30 3
0,9 20
~g/I
1,5
300 (600)
3
20
40
100
1 Eine Uberschreitung dieser Parameter allein ist kein Auschlusskriterium 2 Auf die Offnungsklausel in Nr. 6.3 wird besonders hingewiesen. 3 Bei einem C:N-Verhaltnis > 25 betragt der Zuordnungswert 1 Masse-%. 4 Die angegebenen Zuordnungswerte ohne Klammer gelten fUr Kohlenwasserstoffverbindungen mit einer Kettenlange von C 10 bis C22, diejenigen in Klammer fUr Kohlenwasserstofverbindungen mit einer Kettenlange von C 10 bis C40.
konnen Ausnahmen zugelassen werden, soweit keine nachteiligen Auswirkungen auf die Bodenfunktionen zu erwarten sind. Gleiehes gilt auch fUr Eluatwerte bei regional erhohten Grundwasserwerten.
16.6.41 Unemgeschrankter Embau m bodenahnhchen Anw ndungen Ein uneingeschrankter Einbau von humusarmen Bodenmaterial oder Baggergut in bodeniihnlichen Anwendungen, d. h. im Landschaftsbau und zur VerfUllung von Abgrabungen ist moglich bei unbelasteten Bodenaushub gem. Abschn. 16.6.2 und Einbauklasse ZOo Bei Einbauklasse ZO ist keine Eluatuntersuchung erforderlich. Bei Bodenmaterial, das nieht bodenspezifisch zugeordnet werden kann (z. B. Wechselfolgen), gelten die Zuordnungswerte ZO fUr Lehm/Schluff (Feststoffgehalte) sowie die ZO* -Werte der Eluatkonzentrationen. Fur Bodenmaterial aus einer Bodenbehandlung gelten die bodenspezifischen
Zuordnungswerte und ebenfalls die Eluatkonzentrationen nach ZO*. Fur die VerfUllung von Abgrabungen von Gewinnungsstatten der Steine und Erden sowie auch bestimmter Tagebaue darf Bodenmaterial bis ZO* eingesetzt werden, wenn Die Zuordnungswerte ZO* im Eluat eingehalten werden Eine Abdeckung mit einer durchwurzelten Bodenschieht >2m erfolgt Die Verfullung auBerhalb einer Wasserschutzzone I-III liegt Wenn der oberflachennahe Untergrund nieht verkarstet bzw. stark zerkluftet und wasserwegsam ist (z. B. ausgepragte tektonische StOrungszone). Eine Verfullung mit anderem Bodenmaterial oder anderen Abfallen ist auch bei gunstigen hydrogeologischen Bedingungen nieht zulassig. Mineralische Fremdbestandteile (Bauschutt, Ziegelbruch) darf in einigen Bundeslandern bis zu 10 Vol.-% enthalten sein, in anderen Landern
452
16 Grundlagen fUr die Bewertung von Deponie- und Altlastenstandorten, Fliichenrecycling
darf geeigneter, aufbereiteter Bauschutt (max. Z 1) nur fUr betriebstechnische Zwecke (Wegebau) verwendet werden. Auch Boden, dessen pH -Wert < 5,5 ist, darf nicht ohne Kalkung eingebaut werden. Fur die Herste11ung der abdeckenden durchwurzelten Bodenschicht (DB) von in der Regel 2m Dicke darf nur unbelastetes Bodenmaterial verwendet werden, bzw. solches, das die Zuordnungswerte der Tab. 16.9 nicht uberschreitet und das die naturlichen Bodenfunktionen erfu11t. Der Anteil an mineralischen Fremdbestandteilen darf 1 Vol.-% nicht ubersteigen. Die Dicke der humusreichen Oberbodenschicht richtet sich nach der Folgenutzung (0,2 bis 0,5 m). Die Verfiillung von Abbaustiitten des iibertiigigen Bergbaus ist nach dem sog. Tongrubenurteil des BVerwG von 2005 ein Verwertungsvorgang, bei dem der Grundsatz der Vorsorge des BBodSchG zu beachten ist. Da die LAGA TR Boden (2003) diese Vorgaben berucksichtigt, ist sie derzeit eine geeignete Grundlage fUr die Bewertung einer solchen VerfU11maBnahme. Das BBerG und nachgeordnete Vorschriften haben keinen Vorrang gegenuber dem Bodenschutzrecht.
16.6.4.2 Eingeschrankter Einbau techni chen Bauwerken
In
Unter eingeschriinkten offenen Einbau (Einbauklasse 1) wird der Einbau von Bodenmaterial der Qualitatsstufen ZO bis Z 1 im Feststoff und bis Z 1.1 bzw. Z 1.2 im £luat (Tab. 16.9) in technischen Bauwerken in wasserdurchlassiger Bauweise (keine Dichtschichten) verstanden. 1m Eluat gelten grundsatzlich die Z 1.1-Werte. Soweit entsprechende Landerbestimmungen vorliegen, kann in hydrogeologisch gunstigen Gebieten Z 1.2 zugelassen werden. Wenn als VerfUllmaterial Bauschutt verwendet werden sol1, ist auBerden LAGA TR Bauschutt zu beachten. In einigen BundesIandern wird bei Z 1.1 ein Mindestabstand zum hochsten Grundwasserstand von 1m gefordert. Ais hydrogeologisch gunstig gelten Z. B. Flachen, bei denen der Grundwasserleiter durch flachig verbreitete gering durchlassige Bodenschichten mit hohem Ruckhaltevermogen von mindestens 2m Dicke geschutzt ist.
Ein eingeschriinkter Einbau mit definierten technischen Sicherungsmcillnahmen (Einbauklasse 2 bzw. Z 2; S. a. Abschn. 12.3) umfasst einerseits die Nivellierung von Flachen und andererseits die Herstellung von Erdbauwerken mit bestimmter Geometrie, wie Verkehrsdamme, Larm- oder Sichtschutzwa11e. Die Oberflache dieser Bauwerke muss mit einer Dichtschicht versehen werden, die das Eindringen von Niederschlagswasser verhindert (wasserundurchlassige Bauweise, Einzelheiten S. LAGA-M 20, 2003 oder Landerrichtlinien) . Nicht zulassig ist der Einbau von Z 2-Bodenmaterial in Wasserschutzzone I und II sowie in Uberschwemmungs- und Karstgebieten.
16.642 Behandlung von Boden >Z 2 Boden mit einem Feststoffzuordnungswert >Z 2 sind geHi.hrliche Abfalle, die in der Regel auf Deponien verwertet (z. B. als Fahrspuren) oder entsorgt bzw. einer Bodenbehandlung zugefiihrt werden muss en, damit durch Umlagerung von gefahrlichen Abfa11en keine weiteren Altlasten entstehen. Schlacken und Aschen aus mit Steinkohle befeuerten Kraftwerken, Heizkraftwerken und auch Anlagen der Eisen - und Stahlindustrie sind aufgrund ihrer Herkunft und ihres Z. T. besonderen Schadstoffinhalts in vielen Fallen Sonderabfa11e. Die bekanntesten Falle von als Baustoff verwendeten kontaminierten Schlacken sind die unter dem Produktnamen "Kieselrot" als Sportund Spielplatzbelag verwendeten Marsberger Kupferschlacken sowie die zu Pflastersteinen verarbeiteten Mansfelder Kupferschlacken.
16.7 8ergbaufolgen In den traditionellen Lagerstattenrevieren mit Z. T. Jahrhunderte langen Bergbauaktivitaten zur Gewinnung von Bodenschatzen, insbesondere Erze und Kohle, ist noch lange nach Einstellen der Gewinnung mit Auswirkungen auf die Tagesoberflache zu rechnen. Neben Kohle- und Erzbergbau kommen auch Kali- und Steinsalzbergbau, Gips- und Dachschiefergruben sowie
16.7 Bergbaufolgen
untertagiger Abbau von Steinen und Erden in Betracht. Fiir die Erkundung von Altbergbaufolgen liegt eine Empfehlung der DGGT "Geotechnischmarkscheiderische Untersuchung und Bewertung von Altbergbau" von 2004 vor (Anlage zum 4. Altbergbau-Kolloquium). Zu den unerwiinschten Bergbaufolgen gehoren im Einzelnen: Tagesbriiche, Bohrloch-, Schacht- und Mundlochverbriiche Senkungen oder Hebungen der Tagesoberflache, z. T. mit Differenzbewegungen auf engstern Raum oder Spaltenbildungen Unkontrollierte Austritte von Grubenwasser oder Grubengas (Methan, Kohlensaure). Zu den Objekten bergmannischer Tiitigkeiten sind noch weitere Gefahrdungspotentiale zu nennen. Die davon ausgehenden Gefahren sind Gegenstand einer weiteren DGGT-Empfehlung "Geotechnisch-markscheiderische Untersuchung und Bewertung von Tagebaurestlochern, Halden und Kippen des Altbergbaus" (Anlage zum 9. Altbergbau-Kolloquium, 2009). Sie sind in den Abschnitten 13.1.5, l3.4.3 und 15.3.5 behandelt.
16.7.1 ZusUindigkeit und Unterlagen der Bergbehorde Die Uberwachung der Auswirkungen des unter-
tagigen Bergbaus, auch nach Stilllegung und bis hin zur Wiedernutzbarmachung der in Anspruch genommenen Flachen bzw. der Entlassung aus der Bergaufsicht, gehort neb en der Kontrolle aller bergbaulichen Tatigkeiten zu den Kernaufgaben der LandesbergbehOrden. Bei den BergbehOrden stehen aIle dokumentierten Daten iiber den behordlich zugelassenen Bergbau zur VerfUgung. Ais Objekte des AItbergbaus gelten Anlagen von bergbaulichen Gewinnungsbetrieben, die nicht der Bergaufsicht nach dem Bundesberggesetz (BBergG von 1980, zuletzt geandert 2009) unterliegen und fUr die kein Bergbauberechtigter oder Rechtsnachfolger feststellbar ist. Die Grubenfelder sind aber, soweit bekannt, bei den BergbehOrden dokumentiert. In Nordrhein-Westfalen, mit vielen solchen alten Bergbaustandorten, liegt z. B. ein EDV-gestiitztes Informationssystem iiber diesen Altbergbau vor (NORTHEN 2006).
453
Etwas anders ist es bei Anlagen des sog. Uraltbergbaus. Der Abbau von Erz und Kohle hat schon im Altertum an zu Tage ausstreichenden Flozen, bzw. als Pingenbergbau und spater als Stollenbergbau begonnen. Erst mit der Technik des Wasserhebens konnte zu tieferem Schachtbergbau iibergegangen werden. Aus dies en Zeiten, d. h. vor der Verpflichtung zum Anfertigen von Grubenbildern, und auch von dem sog. wilden Bergbau in Notzeiten, liegen keine oder nur sehr unvollstandige Fachdaten iiber die Abbautatigleiten vor. Eine Entlassung aus der Bergaufsicht nach DurchfUhrung eines AbschluBbetriebsplans kann normalerweise nur erfolgen, wenn nicht mehr damit zu rechnen ist, dass kiinftig noch Gefahren fUr Leben und Gesundheit Dritter oder gemeinschadliche Einwirkungen auftreten. Nicht der Bergaufsicht unterliegen Betriebe, die vor Inkrafttreten des BBergG 1982 bereits endgiiltig eingestellt waren. Fiir die neuen Bundeslander gilt hier das Jahr 1990. Die von unterirdischen Abbauhohlraumen ausgehenden Gefahrdungen solcher Betriebe, die nicht dem Geltungsbereich des BBergG unterliegen, konnen auf Grund von Landergesetzen wieder in die Zustandigkeit der Bergamter zuriickfallen oder sie erfiillen die Merkmale von schadlichen Bodenveranderungen im Sinne des Bundesbodenschutzgesetzes (BBodSchG, S. Abschn. 16.1). In bestimmten Fallen ist deshalb auch das Bodenschutzrecht anzuwenden (MUGGENBORG 2006). Die bei den Bergbehorden dokumentierten Unterlagen stehen im Bedarfsfall den Grundeigentiimern oder deren Beauftragten fiir grundstiickbezogene Auskiinfte hinsichtlich der Baugrundstabilitat und des Risikos kiinftiger Bergschaden zur VerfUgung und sind eine unverzichtbare Unterlage fUr eine Gefahrdungsabschatzung und Risikobewertung (KAISER 2002; ACHTZEHN et a1. 2002). Dariiber hinaus sind die Bergbehorden bei regionalen PlanungsmaBnahmen als Trager offentlicher Belange eingeschaltet und geben vorab eine Bewertung hinsichtlich Bergschadensgefahrdung abo Fiir die Untersuchung und Bewertung von Bergbaufolgen sind auBerdem verschiedene landerspezifische Rechtsvorschriften und Richtlinien des Baurechts, des Wasserrechts und ordnungsrechtliche Vorschriften zu beachten (s. DGGT-Empfehlung 2004). Beziiglich der berg-
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16 Grundlagen fOr die Bewertung von Deponie- und Altlastenstandorten, Fliichenrecycling
rechtlichen Situation in Osterreich wird auf RANDJBAR & SCHUSCHA (2005) und BAUMGARTNER et al. (2009) verwiesen.
16.7.2 Gefahrdungsabschatzung und Risikobewertung Die bergbaulichen Auswirkungen auf die Gelandeoberflache werden bestimmt von der relativen Tiefenlage der Abbaue und den Festigkeitseigenschaften des umgebenden und iiberlagernden Gebirges, dem Abbauverfahren sowie der Art, GroBe und Form der Lagerstatte und der aufgefahrenen Hohlraume, einschliemieh deren Verbau. Bei den Abbauverfahren wird nach der Bauweise (stoBartig, frontartig, pfeilerartig, kammerartig, blockartig) und nach der Langzeitstandfestigkeit (Bruchbau, Versatzbau, Pfeileroder Festenbau) unterschieden.
1672.1 Erkundung me hoden Die Methoden zur Erkundung der Auswirkungen von Bergbauaktivitaten in bruchauslosenden Tiefenlagen hangen sehr von den zur VerfUgung stehenden Ausgangsdaten abo In erster Linie sind die Datenbanken der zustandigen Bergbehorde auszuwerten, insbesondere die Abbaukartenwerke (Grubenrisse) und Daten iiber die Abbauverfahren und den Zustand der aufgefahrenen Grubenraume, den Ausbau einzelner Strecken (abschnitte) sowie etwaige Versatz- oder VerwahrungsmaBnahmen. Hinzu kommen ggf. historische Recherchen in Archiven. Weitere Informationsquellen sind Luftbilder, historische Karten und Stadtplane, Firmenchroniken, Heimatliteratur und die Befragung von Zeitzeugen. Bei der Auswertung der Bergbauunterlagen ist die Kenntnis der Normen und Symbole fUr das bergmannische Risswerk (DIN 21 901 bis 21 921) zweckmaBig. Bei einem eingetretenen Ereignis stellt sich zunachst die Frage nach einer moglichen Zuordnung zu einem Bergbaugeschehen. 1st dies grundsatzlich gegeben, so ist der nachste Schritt ein Abgleieh des vorhandenen Datenmaterials iiber den Abbau auf seine Richtigkeit und eine Einpassung in die topografischen Karten bzw. Plane. Erschwerend wirkt sieh hier meist aus,
dass gerade der alte Bergbau auf Kohle iiberwiegend siedlungsnah stattgefunden hat, also in Gegenden, die seit vielen Jahren bebaut sind und das zur Orientierung dienende urspriingliche Wegenetz nieht mehr bekannt ist. AuBerdem miissen bisher aufgetretene Schadensereignisse sowie durchgefiihrte Sieherungs- und SanierungsmaBnahmen erfasst und eingemessen werden. Die weiteren Erkundungsschritte sind geophysikalische Feldmethoden gemaB Abschn. 4.3.2, Suchbohrungen, ggf. mit geophysikalischen Bohrlochmessungen (Lux & SCHEFFEL 2005 und Abschn. 4.8.3) bzw. bei Antreffen von Hohlraumen auch eine Befahrung mit Kamera- oder Messsonden (s. Abschn. 19.3.2) sowie Sondierungen zur Erkundung von Gebirgsauflockerung (Abschn. 4.4.6). Uber die Erkundung risslich nicht ausreichend dokumentierter Schachtstandorte mittels Geophysik (Geoelektrik, Geomagnetik, Georadar, Geothermie) berichten NESTLER & PREUSS (2009). Werden bei den Erkundungsarbeiten bisher nicht bekannte Grubenbaue oder sonstige Hohlraume erfasst, so sind diese der zustandigen Bergbehorde zu melden.
16.7.2.2 6 72 G Geotechnische 0 ech I che Absch Abschatzung t un sb chg fahrdun der Tagesbruchgefahrdung Bergbauaktivitaten konnen in Anlehnung an MEIER (2009, darin Lit.) und GRIGO et al. (2007) entsprechend der Tiefenlage der Abbaue und ihrer Auswirkungen auf die Tagesoberflache unterteilt werden in Tagesnaher Bergbau 0 - 20 m, im Steinkohlenbergbau des Ruhrgebiets 0-100 m und < 30 m Festgesteinsiiberlagerung - anhaltende Senkungs- und Tagesbruchgefahrdung Oberflachennaher Bergbau 20-60 m, bzw. wie oben bis 100 m und > 30 m Festgesteinsiiberlagerung - Senkungen hiiufig, geringere, aber ebenfalls anhaltende Tagesbruchwahrscheinlichkeit Tiefer Bergbau > 60 m, bzw. wie oben ab 100 m - nach Ende der Absenkungsphase nur geringe Einwirkungen auf die Tagesoberflache. AuBerdem sind die Auswirkungen auf die Tagesoberflache abhangig von der Art der Lagerstatte: Steilstehender Gangabbau (> 45°), Z. B. Erzund Spatbergbau
16.7 Bergbaufolgen
Steilstehender Floz- und Lagerabbau (> 45°), z. B. Steinkohle, Kupferschiefer Flachliegender Abbau (< 45°), z. B. Steinkohle, Braunkohle, Eisenerz, Natursteine. Durch die bergbaulichen Hohlraume wird der primare Spannungszustand im Gebirge verandert. Es bildet sich ein sekundarer Spannungszustand aus, mit einer spannungslosen Auflockerungszone iiber der Firste (s. Abschn. 17.5.2). Das AusmaG dieser Auflockerungszone ist abhangig von der Hohlraumbreite, der Standfestigkeit bzw. Nachbriichigkeit des Gebirges, dem Ausbau und der Zeit. Ein Grubenausbau hat nur die Funktion, die Sicherheit der Baue wahrend der Betriebsphase zu gewahrleisten. Dariiber hinaus kommt es infolge der Reduzierung der Tragwirkung im Laufe der Zeit zu einem schwerkraftbedingten Versagen der Hangendschichten und zu allmahlichen Deformationen bis plotzlichen Bruchvorgangen. Je nach der GroGe der bergbaulichen Hohlraume sowie der Machtigkeit, dem Trennflachengefiige und der Verbandsfestigkeit der Deckschichten bildet sich ein neues Traggewolbe aus oder die Deformationen bzw. der Bruchvorgang setzen sich zunachst bis zur Obergrenze Festgestein fort. Die weitere Entwicklung hangt ab von der Ausbildung und Machtigkeit der Deckschichten und dem Grundwassereinfluss. In halbfesten bis festen bindigen Deckschichten entwickelt sich haufig ein enger Verbruchschlot mit nahezu senkrechten Wandungen. In nichtbindigen Terrassensedimenten kommt es dagegen zu einer trichterfOrmigen Ausweitung des Verbruchhohlraums, der entweder relativ schnell zu Tage durchbricht oder von der oft lOssartigen obersten Deckschicht zunachst iiberbriickt wird, bis es dann zu einem Einbrechen auch dieser Deckschicht kommt (MAINZ et al. 2007). Die komplexen Vorgange im Gebirge machen eine Risikoabschatzung derartiger Deformationen bzw. Verbriiche auGerst schwer. 1m Allgemeinen fallen Tagesbriiche punktuell oder reihen sich entsprechend dem Grubenbild perlschnurartig auf. Haufig gehen dem Verbruchvorgang an der Tagesoberflache auch Vorabsenkungen und Eindellungen mit konzentrischen Rissbildungen voraus. Urn die Gefahr von Verbruchereignissen abschiitzen zu konnen, miissen folgende Angaben vorliegen:
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Bisher eingetretene Bergschaden und ihr zeitlicher Ablauf, bzw. wann Messungen eingestellt worden sind Gebirgsbau, Art und Tiefenlage der Lagerstatte Festigkeitseigenschaften und Verbandsfestigkeit der umgebenden und iiberlagernden Schichten Raumstellung tektonischer Flachen und des Trennflachengefiiges, bes. von GroGkliiften Friihere und derzeitige Grundwasserverhaltnisse, Wasserhaltung und Wiederanstieg des Grundwassers. Die seitliche Abgrenzung des Gefahrdungsbereichs an der Gelandeoberflache, bei Schachten Schachtschutzzone genannt (GILLES & HOLLMANN 2005), hangt ab von der Tiefenlage der Grubenbaue, den Lagerungsverhaltnissen, der GroGe der Abbauhohlraume, dem Gebirgsbau bzw. dem Gebirgsverhalten und den Wasserverhaltnissen. Die Bemessung des Einwirkungsbereichs erfolgt im Allgemeinen nach dem in der Einwirkungsbereich-Bergverordnung von 1982 vorgegebenen Einflusswinkel von 50 gon (45°). Als Alternative zu dies em auf der sicheren Seite liegenden Wert werden in der Literatur auch Winkel von 75 gon (67,5°) bis 90 gon (81°), haufig 75°, diskutiert. 1m Tunnelbau wird fiir mitteltief liegende Tunnel ein Grenzwinkel von 45 + cp/2 angenommen, d. h. 60-65° (s. Abschn. 17.5.3). HEITFELD et al. (2005, 2006) und MAINZ et al. (2007) bringen bodenmechanische Bemessungsverfahren, deren Ergebnisse meist zwischen den oben genannten Werten liegen. Ein besonderes Problem bei der Bergschadensbewertung stellen Schiichte dar, die nicht nach der bergamtlichen "Richtlinie fiir das Verfiillen und Abdecken von Tagesschachten" verfiillt worden sind, sondern zu Zeiten, als eine Teil- oder Vollverfiillung mit Lockermassen als ausreichend erachtet worden ist (NEUMANN 2009). Solche Schachte konnen Einbriiche am Schachtausbau, an den Holzeinbauten oder auch Fehlstellen in der Fiillsaule aufweisen, bzw. sind nur oberhalb einer nicht auf Dauer standfesten Plombierung verfiillt und konnen nachsacken oder nachbrechen. An Fehlstellen in der Fiillsaule konnen sich auch seitliche Nachbriiche entwickeln. Hinzu kommt, dass das Gebirge in der unmittelbaren Schachtumgebung als Folge des
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16 Grundlagen fUr die Bewertung von Deponie- und Altlastenstandorten, Flachenrecycling
Schachtabteufens und der langen Standzeit mit teilweise unzureichender Sicherung immer eine gewisse Gebirgsauflockerung zeigt und damit in diesem Bereich eine abgeminderte Standfestigkeit und Tragfahigkeit aufweist. Diese Betrachtungen zeigen, dass bei Schachten, ja nach Versagensart, mit sehr unterschiedlichen Einflussbereichen gerechnet werden muss. Der Einsatz von Versatz verhindert nicht nur Verbruche, sondern reduziert je nach Lagerungsdichte und Anfangsfestigkeit auch ein Nachsacken des Deckgebirges und stabilisiert die Pfeiler. Eine solche Sicherung oder Verwahrung der Abbauhohlraume ist allerdings nur im Erzbergbau haufiger vorgenommen worden. VerwahrungsmaBnahmen mit Holzverbau weisen in lufterfiillten Grubenbauen und in der Luft-Wasser-Wechselzone keine Langzeitfestigkeit auf (MEIER 2006). Die Abschatzung der Tagesbruchgefahrdung erfolgt empirisch oder mit Hilfe von Modellrechnungen. Die empirischen Verfahren beruhen auf der statistischen Auswertung bereits eingetretener Tagesbruche unter Berucksichtigung der geologischen und tektonischen Situation. Die rechnerische Abschatzung erfolgt nach folgenden Modellen: Maximalwertverfahren (Hullkurvenverfahren) Hohlraum-Bruchmassen-Bilanz (HBB-Methode) Numerische Verfahren. Bei Vorliegen von Grubenrissen und sonstigen Abbaudaten, aber keinen Angaben uber den Zustand der Grubenbaue wird haufig das mehr oder weniger empirische Maximalwertverfahren angewendet (HOLLMANN & MUHLENBECK 2004). Die damit ermittelten Grenztiefen und Durchmesser der Bruchverformungen ergeben Anhaltspunkte uber die ortliche Gefahrdungssituation. Das Hohlraum-Bruchmassen-Modell basiert auf einer Bewertung der Hohlraum/Deckgebirgsverhaltnisse (MEIER 1978; MEIER & MEIER 2007). Bei dem Verbruch eines Hohlraums kommt es zu einer deutlichen Volumenzunahme der mehr oder weniger losen Bruchmassen gegenuber der ursprunglichen Gebirgskubatur. Der Auflockerungsfaktor betragt je nach Gestein 30 bis 50% (Tab. 12.1). Wenn die Bruchmassen nicht in tiefere Abbaubereiche abwandern kon-
nen oder durch flieBendes Wasser abtransportiert werden, fiillen sie zunachst unter einem bestimmten Schuttwinkel den verbrochenen Hohlraum und danach den sich entwickelnden Nachbruchhohlraum daruber weitgehend auf. Bei geringer Deckgebirgsmachtigkeit kann sich dabei ein Hohlraum in Abhangigkeit yom Trennflachengefiige schlotartig bis zur Gelandeoberflache hocharbeiten und es entsteht ein Tagesbruch. Ab einer bestimmten Grenzmiichtigkeit des Deckgebirges wird sich der aufsteigende Nachbruchhohlraum aufgrund des Auflockerungsfaktors der Bruchmassen totlaufen. Ais maBgebende Deckgebirgsmachtigkeit wird dabei meist nur der Bereich des Festgesteins gewertet, nicht die Verwitterungszone und die Deckschichten. Bei den numerischen Berechnungsmethoden werden der Hohlraum und der betroffene Deckgebirgsbereich in kleine Volumeneinheiten unterteilt, denen entsprechende Eigenschaften (Kennwerte) zugeordnet werden. Diese Materialeigenschaften hangen ab yom Modelltyp, dem wiederum ein Stoffgesetz zugrunde liegt, das ausdruckt, wie das Gebirge auf Belastungen reagiert. Die gegenseitigen Wechselwirkungen werden nach der Finite-Differenz-Methode ermittelt und ergeben durch Variation der Kennwerte eine Annaherung an den Versagensfall (s. Abschn. 17.5.5.2). AuBer den geometrischen Daten uber die Abbausituation und die Gebirgsverhaltnisse sind in der Regel folgende Parameter anzugeben: Wichte des Gebirges Elastizitatsmodul Gebirgsscherfestigkeit (cp, c) Poissonzahl oder Querdehnzahl Druck- und Zugfestigkeit. Die Ergebnisse derartiger Berechnungen werden maBgeblich von der primaren Hohlraumgeometrie, den Gebirgseigenschaften und seiner Machtigkeit sowie auch der Grundwassersituation bestimmt. Damit sind die Eingangsdaten weitgehend unbestimmt und mussen in den meisten Fallen uber Schatzwerte abgedeckt werden, weshalb es sich bei derartigen Berechnungsergebnissen immer nur urn naherungsweise Abschatzungen handeln kann, die mit groBeren Unsicherheiten behaftet sind.
457
16.7 Bergba ufolgen
16.7.2.3 Risikoanalyse und Bewertung e: 1m Rahmen der geotechnischen Bewertung eines Gebietes werden zunachst die moglichen Einflussbereiche von Bergbauaktivitaten festgelegt. Die nachsten Schritte fiir eine Risikoanalyse sind: Spezifizierung moglicher Schadensereignisse Abschatzen der Eintrittswahrscheinlichkeit Ermittlung des moglichen SchadensausmaBes. Die Festlegung und Bewertung dieser Einflussfaktoren kann nur sehr allgemein ausgedriickt werden. Fiir die Eintrittswahrscheinlichkeit werden Begriffe wie praktisch nicht moglich, wenig wahrscheinlich, wahrscheinlich und sehr wahrscheinlich verwendet. Das SchadensausmaB wird nach den moglichen Auswirkungen (Tagesbruch, Senkungen, Schiefstellung) und der Flachennutzung bzw. der Bedeutung und Empfindlichkeit der Bebauung sowie der Gefahrdung von Personen festgelegt. In der ersten Risikobewertung geht das mogliche SchadensausmaB zunachst auch nur mit Begriffen wie unbedeutend, klein, hoch oder sehr hoch ein. Die Wertung der einzelnen Einflussfaktoren muss dabei nachvollziehbar sein. Ein Risiko ist definiert als Produkt von Eintrittswahrscheinlichkeit und dem moglichen SchadensausmaB (s. Abschn. 17.2.2). Die Festlegung der Risikoklasse erfolgt dann nach Abb. 16.8. Die Felder unterhalb der Linie "Grenzrisiko" bedeuten Risikoklasse IV, kein Handlungsbedarf. Es verbleibt nur das nicht ausschaltbare Restrisiko. Die Felder oberhalb dieser Linie zeigen die Risikoklassen III bis I der DGGT-Empfehlung (2004). Die abschlieBende Bewertung
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dieser Klassen erfolgt danach, wo und wann (mittel- oder langfristig) mit einem Schadensereignis zu rechnen ist und welche MaBnahmen ggf. ergriffen werden konnen, urn die Eintrittswahrscheinlichkeit oder das SchadensausmaB soweit abzusenken, dass die Klasse IV erreicht wird (s. a. Abschn. 19.3.1). Die einzelnen Faktoren einer solchen Risikoanalyse sind weitgehend zeitabhangig und konnen sich im Laufe der Jahre andern. Diese Tatsache kommt bei der Ermittlung der Eintrittswahrscheinlichkeit und auch im SchadensausmaB meist nicht geniigend zum Ausdruck. In solchen Fallen muss auf die Notwendigkeit einer standigen Beobachtung bzw. auf entsprechende Folgeuntersuchungen hingewiesen werden.
16.7.3 Tagesnaher und oberflachennaher Bergbau Tagesnaher und oberflachennaher Bergbau stellen praktisch immer eine latente Gefahrdung dar. Durch den Abbau wird der Spannungszustand im Gebirge verandert (Abschn. 17.5.2). Aufgrund der Topographie und der durch die Trennflachen bedingten Anisotrophie des Gebirges treten im tagesnahen Bergbau haufig Spannungszustande mit einem Horizontalspannungsiiberschuss auf (s. Abschn. 2.6.9), die zusammen mit den abgeminderten Festigkeitseigenschaften des den Hohlraum umgebenden Gebirges Absenkungen und Bruchvorgange begiinstigen (s. WAGNER WAGNER 2006). Bei relativer Nahe der Tagesoberflache und entsprechend geringer Gebirgsfestigkeit rei-
sehr wahrscheinlich
IV
III
II
I
wahrscheinlich
IV
IV
III
II
wenig wahrscheinlich
IV
IV
IV
III
praktisch unmoglich
IV
IV
IV
IV
unbedeutend
klein
hoch
sehr hoch
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SchadensausmaB Abb. 16.8 Matrix fOr die Festlegung des Risikos (nach MEIER et al. 2004). RG = Grenzrisiko
RG
16
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16 Grundlagen fUr die Bewertung von Deponie- und Altlastenstandorten, Fliichenrecycling
chen die raumliche Entwicklung der Gebirgsentspannung und ihre Auswirkungen bis an die Gelandeoberflache und es ist zeitnah mit einem Tagesbruch zu rechnen. Die Senkungs- und Verbruchanfalligkeit des oberflachennahen Bergbaus ergibt sich aus dem Verhaltnis der Gr06e bzw. der Spannweite der Abbaue zur Tiefe und der Gebirgsfestigkeit. Hohe Gebirgsfestigkeiten weisen in der Regel dickbankige Schichtgesteine und fast aile magmatischen Gesteine auf. Relativ stabil sind demnach Abbauhohlraume von Erzlagerstatten sowie Untertageabbauhohlraume von Kalkstein, Gips und Schiefer. Zu den Gebirgsarten geringer Festigkeit zahlen wenig verfestigte Lockergesteine, diinnbankige Gesteine sowie insgesamt stark gekliiftete oder starker angewitterte Gesteinsarten. Das Standardbeispiel tages- oder oberflachennahen Bergbaus mit Deckgebirge geringer Festigkeit ist der ehemalige Braunkohlentietbau. Der Abbau erfolgte meist im Pfeilerbruchbau unter Wasserhaltung. Zur Stiitzung des Hangenden lie6 man zunachst Kohlepfeiler stehen, die aber nachtraglich meist gewonnen wurden. Das Deckgebirge verstiirzte dabei, was zu einer Auflockerung der in der Regel aus Tonen, Feinsanden und den quartaren, oft lOssartigen Ablagerungen bestehenden Deckschichten fiihrte. Die tonigen Schichtglieder reagieren weitgehend plastisch, d. h. mit Kriechverformungen unter Beteiligung von vorgegebenen Trenn- und Gleitflachen. Die typischen Auswirkungen sind Bruchverformungen im abbaunahen Bereich und dariiber flachige Senkungen. Die Hohlraume kriechen mehr oder weniger kontinuierlich zu. Die Verformungen im Gelande setzen je nach Tiefe und Abmessungen der Abbaue in der Regel bereits nach wenigen Monaten ein und sind nach einigen Jahren weitgehend abgeschlossen. Der Absenkfaktor liegt meist bei etwa 90%. 1m Laufe der Jahre erfolgt eine gewisse Konsolidierung des Bruchgebirges. Mit spaten Tagesbriichen ist bevorzugt in Bereichen verbauter Streckenabschnitte und in der Umgebung von Schachten zu rechnen. Eine Sonderform von Tagesbriichen iiber derartigen Bruch- und Senkungsfeldern des oberflachennahen Bergbaus sind Erdfalle durch Losssubrosion (Abschn. 19.2.4), ausgelost durch neu entstandene wasserwegsame Bruchflachen im Deckgebirge als Folge der abbaubedingten Verformungen.
Zu den Bergbauaktivitaten in Gebirgen mit geringer Festigkeit zahlen auch fast aile tagesund oberfliichennahen Kohlelagerstiitten des Altbergbaus. Dieser konzentrierte sich auf die ausstrichnahen Bereiche von Kohleflozen und auf oberflachennahe Sattelstrukturen. In Oberflachennahe ist zwar der Gebirgsdruck gering, es ist aber immer mit einer gewissen Entfestigung des Gebirges zu rechnen. In Sattelstrukturen kommt dazu noch eine mechanisch bedingte Gebirgsauflockerung, die Verbriiche begiinstigt (s. Abschn. 17.5.1). Die gr06te Verbreitung von tages- und oberflachennahen Altbergbau findet sich im siidostlichen Randbereich des Ruhrreviers, im Bereich der Stadte Miihlheim, Essen, Bochum, Dortmund, Hattingen und Witten. Die Einwirkungen auf die Tagesoberflache sind unterschiedlich. Bei geringer Machtigkeit der iiberlagernden Schichten oder ungiinstigen Ausstrich der Floze bzw. Lager konnen sich die Abbauhohlraume auch mehr oder weniger direkt bis zu Tage durchpausen. Au6er flachen Senkungsmulden im Dezimeterbereich ist, ohne zeitliche Begrenzung, mit Tagesbriichen zu rechnen. Eine besondere Tagesbruchgefahr geht auch von nicht vorschriftsmamg gesicherten Schachten und anderen TagesOffnungen aus. Ein vollig anderes Gebirgs- und Verformungsverhalten zeigt oberflachennaher Bergbau in Festgesteinen hoher Gebirgsfestigkeit. Bei besserer Standfestigkeit des Deckgebirges treten weniger flachige Ansenkungen auf, sondern bevorzugt Tagesbriiche unterschiedlicher Gr06enordnung, deren Gefahrdungspotential iiber einen fast unbegrenzten Zeitraum anhalt. 1m oberflachennahen Erzbergbau handelt es sich meist urn mehr oder weniger steilstehende Gangsysteme, die als unregelmamge Vererzungszonen das Gebirge durchziehen und an Querstorungen zerblockt sind. Sowohl die Gangfiillungen als auch das Nebengestein sind in der Regel recht standfest. Bei Verbruch der in den Anfangen tagesnahen Abbaue entstehen Pingen, deren Pingenziige den Gangausbiss verfolgen lassen. Mit den Wasserhaltungsma6nahmen (z. T. Wasserlosestoilen, ROSSEL & DRESSLER 2005) war eine Erschlie6ung der Lagerstatten in groBeren Tiefen moglich und man ist hinsichtlich des Verlaufs der Gangsysteme auf Grubenbilder bzw. auf eine lagerstattenkundliche Einschatzung abgewiesen. Die Streckenabbaue wurden
16.7 Bergbaufolgen
zur Sicherung des laufenden Betriebs teilweise versetzt. Grubenbaue mit lagestabilem Versatz gelten als tagesbruchsicher. Sand, Bergemassen und Recyclingmaterial sind dies nur, wenn ein Abwandern in angrenzende offene Grubenbaue auszuschlie6en ist. Resthohlraume konnen, ausgehend von vorhandenen Schwachezonen des Gebirges und verstarkt durch au6ere Einfliisse, im Laufe der Zeit zu Bruch gehen. Die Tagesbriiche stehen bei tagesnahem Abbau haufig in Zusammenhang mit den alten Pingen(ziigen). Mit zunehmender Tiefe der Abbaue nimmt die Tagesbruchgefahr ab und ist ab etwa 50 m nur noch sehr gering. Bei ± sohliger Lagerung und flachigem Abbau werden haufig pfeiler- oder kammerartige Abbauverfahren ohne oder mit Versatz angewendet. Derartige Baufelder stehen je nach Bemessung der Pfeiler haufig iiber viele Jahre offen (WAGNER et a1. 2006). Kritische Situationen entstehen, wenn sich iiber den Abbauen mittelfristig kein standsicheres Traggewolbe ausbilden kann bzw. wenn die Festigkeit einzelner Pfeiler mit der Zeit iiberschritten wird. Die weitere Entwicklung der Verbruchvorgange hangt vom Systemverhalten des Deckgebirges abo Tagesnahe Abbaufelder neigen zu einem plotzlichen Versagen und der friihzeitigen Entwicklung von Tagesbruchen. Bei Oberlastung einzelner Pfeiler kann es auch zu progressiven Versagen und zu gro6flachigen Verbruchen kommen. Entscheidende Kriterien sind in beiden Fallen die Lagerungsverhaltnisse, das Abbauverfahren, d. h. die Dimensionierung der pfeiler, und das Gebirgsverhalten. Derartige Verbruchereignisse sind z. B. von (meist aufgelassenen) Kalkstein- und Gipsgruben bekannt. FRIEDRICH et a1. (2006) berichten von einem ehemaligen Kammer-Pfeiler-Gipsabbau, iiber dem nach Stilllegung der Grube in wenigen Jahren sechs Einbriiche mit Abmessungen bis 10 m und ein gro6flachiger Tagesbruch von 50 x 34 x 5 m aufgetreten sind. Die kleineren, schlotartigen Einbriiche korrelieren gut mit den aufgefahrenen Kammern mit 7 m Spannweite, uber denen die stark zerkliifteten und teilweise entfestigten Kalkmergelsteine kein sicheres Traggewolbe ausbilden konnten. Unter dem gro6flachigen Einbruch ist es offenbar zu einem Versagen unzureichend dimensionierter Pfeiler gekommen. Die Tiefe dieses Tagesbruchs von 5 m entspricht etwa der AbbauhOhe, d. h. der Absenk-
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faktor betragt auch hier 90 bis 95%. Bei Gipsgrub en kommen als zusatzlicher Faktor fur eine Schwachung des Deckgebirges Auslaugungserscheinungen gema6 Abschn. 19.2.2 hinzu. ROGALL & BROMEN (2009) berichten auch iiber die Tagesbruchgefahrdung und Sicherungsma6nahmen iiber gro6flachigen unterirdischen Basaltabbaukammern in der Eifel und MEIER et a1. (2005) iiber die Erkundung und Verwahrung von tagesnahen Kalksteinabbaufeldern unter Wohnbebauung.
16.7.4 Tiefer 8ergbau Bei Bergbauaktivitaten in gro6eren Tiefen und hOherer Systemsteifigkeit des Hangendgebirges sollten an der Erdoberflache keine Tagesbriiche auftreten. Generell geht man davon aus, dass ab Abbautiefen von 80-100 m keine unsteten Reaktionen bis zur Tagesoberflache durchschlagen. Bei flachigen Bruchbaufeldern ist allerdings mit entsprechenden Senkungsmulden mit z. T. erheblichen Absenkbetragen und Zerrungszonen bzw. Schiefstellungen in den Flankenbereichen oder an Abbaugrenzen bzw. tektonischen Grenzflachen zu rechnen. Die Zusammenhange, welche diese Senkungen bewirken, lassen sich nach der Literatur wie folgt zusammenfassen: Ober den Abbauhohlraumen bildet sich eine Bruchzone zerriitteten Gebirges. Ihre Hohe (B) ist abhangig von den Abmessungen des Abbauhohlraumes, vor allem der Hohe (M) und den Festigkeitseigenschaften des Gebirges, die nach SROKA & PREUSSE (2009) durch den empirischen Faktor A = 2 bis 4 beriicksichtigt werden (B = A . M). Die aufgelockerte Bruchzone, die in der Regel einen Auflockerungsfaktor von 10% des abgebauten Volumens aufweist, wird durch die Last des Deckgebirges wieder kompaktiert, wodurch sich eine Absenkung der Hangendschichten entwickelt, die sich bis zur Tagesoberflache durchpaust. Die Auswirkungen tie fer Abbaue laufen ebenfalls relativ zeitnah abo Sie gelten allgemein nach einem Zeitraum von etwa 5 Jahren nach Ende der Abbautatigkeit als abgeschlossen. Diese abbauinduzierten Bodenbewegungen werden in den meisten Fallen iiberlagert von einem durch die Grundwasserabsenkung bedingten Anteil der Gelandesenkungen (s. Abschn. 6.2.2). Fur einen sicheren Betrieb der bis > 1000 m
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16 Grundlagen fUr die Bewertung von Deponie- und Altlastenstandorten, Flachenrecycling
tief liegenden Forderstrecken war eine betriebsinterne Grubenwasserhaltung iiber die Forderschachte notwendig, die im Ruhrrevier ab 2000 durch eine zentrale Wasserhaltung auch der Bereiche, in denen der Abbau bereits eingestellt war, erganzt wurde. Damit wurde ein Uberlaufen von Wasser in die aktiven Bergbaubetriebe verhindert. Nur der Altbergbaubereich im Siidteil des Reviers liegt teilweise auBerhalb des Einflussbereiches der zentralen Wasserhaltung (GRIGO et a1. 2007). Als Folge dieser groBflachigen Wasserhaltung ist der Grundwasserspiegel in weiten Gebieten stetig abgesunken, wobei trotz ortlicher Differenzen im Zehnermeterbereich von einer insgesamt groBflachigen Absenkwirkung auszugehen ist. Die Folgen dieser beiden auslosenden Faktoren, namlich groBflachige Bruchbaufelder und Grundwasserabsenkung, waren entsprechende Gelandesenkungen von mehreren Metern, die haufig zu Schaden an der 1nfrastruktur und der Bebauung gefiihrt haben. Die natiirlichen Vorflutverhaltnisse wurden massiv gestort. 1m Emschergebiet musste das Gewassersystem umstrukturiert und am Niederrhein die Damme erhoht werden, urn den Hochwasserschutz zu gewahrleisten. Derzeit und auch kiinftig sind umfassende EntwasserungsmaBnahmen erforderlich, urn auf Flachen, die tiefer ais die Vorfluter liegen, Vernassungen und Dberflutungen zu verhindern.
16.7.5 Auswirkungen des Grubenwasseranstiegs Die Bergbautatigkeiten bewirken nachhaltige Veranderungen der Grundwasserverhaltnisse im Gebirge. Durch das Auffahren der Hohlraume und den entsprechenden Reaktionen des Gebirges wird die Gebirgsdurchlassigkeit massiv verandert. Ehemals geschlossene KIiifte werden hydraulisch wirksam und es kann zu hydraulischen Verbindungen zwischen verschiedenen Grundwasserstockwerken kommen. Wenn mit Stilllegung des Bergbaubetriebs die Wasserhaltung eingestellt wird, kommt es zu einem langfristigen Wiederanstieg des Grundwassers, der, wie auch die vorangegangene betriebsbedingte Grundwasserabsenkung, Bereiche erfassen kann, die selbst nicht direkt yom Bergbau in Anspruch genommen worden sind. Der
Wiederanstieg des Gruben- bzw. Grundwassers hangtabvon dem flutbaren Resthohlraumvolumen und dessen Verteilung, dem Wasserleitvermogen bzw. dem Grubenwasserstrom in den Strecken und Abbauen, dem Poren- bzw. Kluftvolumen und def Gebirgsdurchlassigkeit des liegenden, umgebenden und iiberlagernden Gebirges, unter Beachtung der Auflockerungsbereiche bzw. von Stauhorizonten und Stockwerksbildung, Zufliissen iiber tektonischen Storungssystemen, sowohl aus dem Liegenden als auch dem Hangenden. Die Anstiegsgeschwindigkeit des Grundwassers wahrend def Flutung hangt ab von den jeweiligen Zuflussraten, die einige Zehnerkubikmeter pro Minute bis wenige m 3/min betragen konnen. Die AnstiegsmaBe betragen im Festgestein haufig viele Zehnermeter im Jahr und gehen im Bereich der Deckschichten z. T. auf wenige Meter im Jahr zuriick. Bei einem Zufluss aus tieferen Schichten baut sich mit ansteigendem Wasserspiegel ein Gegendruck auf, der allein einen Riickgang der Zulaufmenge bewirkt. Die mit dem Ende der Wasserhaltung und der Flutung der Grubengebaude auftretenden ProbIerne konnen sehr vielgestaltig sein. Zunachst ist eine veranderte chemische Beschaffenheit des Flutungswassers zu beachten. Tiefenwasser aus tektonischen Storungszonen kann aufgesaizen sein oder Kohiensaure enthalten. Ein Tiefenzulauf kann auBerdem zu einer Durchspiilung der Grubenbaue fiihren, unter Mitnahme von Schadstoffen aus dem Grubengebaude. Durch die vorausgegangene Absenkung des Grundwassers und die Beliiftung ist das Gestein auBerdem einem sauerstoffhaltigen Milieu ausgesetzt gewesen, mit entsprechenden geochemischen Prozessen, wie z. B. Pyritoxidation. Das Flutungswasser weist deshalb haufig erhOhte Werte an CaS0 4• MgS04 und FeS0 4 oder auch veranderte pH-Werte auf (ECKART et a1. 2006; HEITFELD et a1. 2007). Bei starkerem Wasserzulauf aus dem Hangenden kann es auch zu einer Schichtung des Flutungswassers kommen. Gellindehebungen als Folge von flutungsbedingten Gruben- bzw. Grundwasserwiederanstieg sind seit langem bekannt (Lit. s. SROKA 2005 und SROKA & PREUSSE 2006). Die Ursache sind
461
16.7 8ergbaufolgen
die mit dem Wiederanstieg des Grundwassers wieder einsetzenden Auftriebskrafte und die damit verbundene Verringerung der Normalspannungen (Abschn. 6.2.2). Die riickiaufigen Hebungen sind im Vergleich zu den vorangegangenen Senkungen sehr gering. Sie liegen in der GroBenordnung von < 10% der vorherigen Senkungen, haufig sogar bei < 5%. Schaden an der Infrastruktur und an Gebauden sind bei diesen GroBenordnungen nicht zu erwarten, ausgenommen die im Jahr 2000 im Erkelenzer Revier erstmals beobachteten Schadensfalle. Die hier aufgetretenen schadensverursachenden Differenzbewegungen auf engstem Raum (Abb. 16.9) sind an Unstetigkeiten im Verlauf tektonischer Storungszonen gebunden, hier dem sog. Rurrand-Sprung und einigen Begleitstorungen (HEITFELD et al. 2004; BAGLIKOW 2006; SROKA & PREUSSE 2009). Kartendarstellungen von den weitflachigen Hebungen der Jahre 1997-2003 zeigen ein differenziertes Zeit -Hebungs-Verhalten mit abnehmender Tendenz, dessen Schwerpunkte aber nicht mit den in den Jahren 1953-1997 vorausgegangenen Senkungen iibereinstimmen. Die Hebungen gehen auch randlich iiber die friiheren Abbauflachen hinaus. Ein erhOhtes Tagesbruchrisiko ist nur bei Einstau nicht dauerstandsicher verfullter Schachte und im Bereich oberflachennahen Altbergbaus gegeben. Uber eine Schadensersatzpflicht bei
3 T
4
5
\
Verwerfung
8
Mai 01
Nov 01
Mai 01
Jun 02
Mai 01
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Nov 01 h [mm)
Jun 02 h [mm)
Jun 02 r h [mm)
Nov 02 h [mm]
Nov 02 r h [mm)
1 2 3 4 5 6 7 8 9
0 - 1 +16 +18 +17 +17 +17 +17 +16
0 + 1 +18 +18 +18 +19 +19 +19 +17 (-1 )
0 0 +34 +36 +36 +36 +36 +36 +33 neu
0 0 +8 +9 +9 +9 +9 +8 +8
0 0 +42 +45 +45 +45 +45 +44 +41 fortgef.
Pkt.
6
•
Bergschaden infolge Wiederanstieg des Grundwassers berichten FRENZ (2006), LENZ (2006), REINHARDT (2006) und TERWIESCHE (2005, 2006). Infolge der vorangegangenen Gelandesenkungen urn Meterbetrage kann ein Wiederanstieg des Grundwassers bis in das Vorflutniveau zu einer Vernassung gro6erer Flachen, zu Wassereintritten in Kellerraume und ggf. zu einer Flutung von Deponien oder Altlasten fuhren. Die Wasserspiegel im Flutungsbereich mussen so niedrig gehalten werden, dass keine Gefahr fur betroffene Flachen und Anlagen besteht. Eine andere Gefahr ist das Eindringen von Flutungswasser in benachbarte Trinkwasseraquifere oder Mineralwasserbrunnen bzw. verstarkte Methangasaustritte (Abschn. 16.7.6). Fur die rechnerische Behandlung von Grubenflutungen stehen heute eine Reihe analytischer und numerischer Modelle zur Verfiigung (FISCHER & WILD HAGEN 2006; ECKART et al. 2005, 2006, darin Lit.). Zum Grnndwassermanagement von Grubenflutungen gehort auch immer ein Beweissicherungsprogramm zur Beherrschung und Uberwachung der moglichen Auswirkungen des Gruben- und Grundwasseranstiegs auf den Grundwasserchemismus, auf genutzte Grundwasserleiter, auf die Tagesoberflache sowie ggf. auch auf benachbarte aktive Baufelder (HEITFELD et al. 2007).
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Abb. 16.9 Extrem engriiumige Differenzbewegungen uber einer tektonischen Struktur infolge Grundwasser-Wiederanstieg ( aus 8AGLIKOW 2006).
16
462
16 Grundlagen fUr die Bewertung von Deponie- und Altlastenstandorten. Flachenrecycling
16.7.6 Methangasaustritte AuBer der landesweit nur geringen Gefahr von Methangasaustritten aus gasabspaltenden Muttergesteinen (s. Abschn. 4.3.3) kommt es in den Steinkohlenregionen haufig zu mehr oder weniger starken Methangasaustritten. Ftir NordrheinWestfalen liegt eine Methangasverbreitungskarte vor (STRAUSS 2008). Das Methan stammt zum groBten Teil aus den Steinkohleflozen. Es ist wahrend der Inkohlung in groBen Mengen abgespaltet worden. Das meiste Gas ist aber im Laufe der Erdgeschichte bereits tiber das Deckgebirge in die Atmosphare entwichen. Von den Restmengen findet in den unverritzten Kohleflozen fast keine weitere Freisetzung statt. Erst durch die Gebirgsentspannung infolge der Abbauaktivitaten wird das in der Kohle und auch im umgebenden Gestein gespeicherte restliche Methan freigesetzt und entweicht tiber das gestorte Gebirge zur Tagesoberflache. Die Art der Methangasemmissionen (flachig. punktuell. linienhaft) wird von der Ausbildung der Deckschichten. dem Grundwasserstand und den tektonischen Strukturen bestimmt (OPAHLE 2005; HEITFELD et a1. 2007). Die Austritte sind teilweise auch an Vegetationsschaden erkennbar. Methan (CH 4 ) ist ein geruch- und farbloses, ungiftiges Gas, das mit einer Dichte von 0,717 kg/m3 leichter ist als Luft. Methan und auch andere Kohlenwasserstoffe sind in bestimmten Mischungsverhaltnissen mit Luft explosiv. Bei Methan liegt die untere Explosionsgrenze (UEG) je nach Literaturzitat bei 4,4 bis 5 Vo1.-% und die obere Explosionsgrenze (OEG) bei 14 bis 16,5 Vo1.-%. Bei hoheren Methananteilen ist das Methan -Luft -Gemisch brennbar. Methangasaustritte stellen ein Gefahrenpotenzial fUr die Bebauung dar und erfordern ggf. SicherungsmaBnahmen in Form von Gasdransystemen an Gebauden und Gasbarrieren in Leitungstrassen (NOTACKER et a1. 2005; STRAUSS 2007). Methan kann sich unter Deckschichten in besser durchlassigen Bereichen sammeln und bei
engraumigen Ausschachtungen zu Gefahrensituationen fUhren (Verpuffungsgefahr). Methangas kann auch in handelstibliche Kunststoffrohre diffundieren und sich mit dem Leitungsinhalt vermischen, was gewisse Gefahrensituationen herbeifUhren kann. Beim Abbau von Steinkohle werden in den umgebenden Flozbereichen groBe Mengen Methan frei, die sich nach Einstellen der Bewetterung in den Grubenbauen ansammeln. Dieser Prozess halt je nach GroBe des Restgasinhalts tiber Jahre bis Jahrzehnte an. Bei Wiederanstieg des Grubenwassers ist deshalb mit verstarktem Methanzustrom im Deckgebirge zu rechnen (Abschn. 16.7.5). Durch den Anstieg des Wassers wird das in den abgeworfenen Abbauhohlraumen angesammelte Methangas verdrangt. Der Gasdruck steigt an, was sich auch auf den Gasanstieg bis zur Tagesoberflache auswirkt. Sobald der Wasserdruck hoher wird als der Restgasdruck im Gebirge, geht die Entgasung deutlich zurtick. Urn das Risiko von Methangasaustritten im Gelande zu verringern und den hohen Energiegehalt von Methan zu nutzen. werden heute groBe Mengen Grubengas mit Methangehalten bis zu 90% aus aktiven oder stillgelegten Bergwerken tiber alte Schachte oder Bohrungen abgesaugt und energetisch genutzt (OPAHLE 2005; PREUSSE et a1. 2006; OPAHLE & HEGEMANN 2006). Methan ist auch Hauptbestandteil geogener Bodengase (Abschn. 4.3.3) und von Deponiegasen. Deponiegas und auch Ausgasungen anderer Kontaminationen konnen nicht nur unmittelbar am Standort auftreten. sondern tiber nattirliche Pfade (abgedeckte durchlassige Schichten. Kluftzonen) oder Leitungsgraben mehrere hundert Meter entfernt austreten oder in Gebaude eindringen. Diese GeHihrdung wird allgemein unterschatzt. So wanderte 1995 in Belgien das Gas aus einer Deponie mehr als einen Kilometer weit durch den sandigen Untergrund in die Keller einer Siedlung. In England zustorte 1985 eine Deponiegasexplosion ein Wohnhaus in der Nahe einer Deponie.
17
un elbau
Der Tunnelbau ist ein komplexes Aufgabengebiet, in dem nicht nur in der Erkundungsphase, sondern auch wahrend der Vortriebsarbeiten zahlreiche spezielle ingenieurgeologische Fragestellungen auftreten. Ihre Bearbeitung setzt gewisse Kenntnisse in den Verfahrenstechniken voraus, urn die Wechselwirkungen zwischen dem Bauverfahren und dem Verhalten des Gebirges vorab abschatzen bzw. wahrend des Vortriebs bewerten zu konnen.
17.1 Grundbergriffe des Tunnelbaus Das Gebirge ist beim Tunnelbau nicht nur Baugrund, sondern zugleich Baustoff, mittragendes Element (Widerstand) und gleichzeitig Belastung (Einwirkung). Diese "Mehrfachfunktion" birgt zwangslaufig ein hoheres technisches und wirtschaftliches Risikopotenzial, als wir es sonst kennen. Dabei ist der "Baustoff Gebirge" in der Regel zunachst unveranderbar vorgegeben und liegt nie ungestort vor, sondern ist bereits immer mehr oder weniger stark bis iiber die Bruchgrenze hinaus tektonisch und z. T. auch anderweitig beansprucht worden. Deshalb miissen schon in der Erkundungsphase die moglichen Gefahrdungen durch geologisch bedingte Schwachstellen (Tektonik, hydrothermale oder verwitterungsbedingte Entfestigungen, Verkarstung, Hangbewegungen) und ungiinstige Wasserverhaltnisse so genau wie moglich erfasst werden. Die Entwurfsbearbeitung eines Tunnelbauwerks besteht heute aus einer griindlichen ingenieurgelogisch-geotechnischen Erkundung mit entsprechender Bewertung der Gebirgs- und Grundwasserverhaltnisse sowie einem realitatsH. Prinz et al., Ingenieurgeologie © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011
nahen felsmechanischen Modell und darauf aufbauenden Standsicherheitsnachweisen. Bei der Bauausfiihrung erfolgt dann eine baubegleitende Kontrolle der Annahmen aus der Erkundung und eine Dberpriifung der Berechnungsergebnisse (Standsicherheit und Verformungsverhalten). Nachfolgend werden im Wesentlichen Aufgabenstellungen des Tunnelbaus in Halbfest- und Festgesteinen der Mittelgebirge behandelt. Der innerstadtische Tunnelbau in Lockergesteinen und der Hochgebirgstunnelbau, der sich in vielen Dimensionen deutlich unterscheidet (s. Tab. 17.1), konnen nur kurz angesprochen werden. Die wichtigsten Begriffe fUr den Tunnelvortrieb sind aus Abb. 17.1 ersichtlich. Bei maschinellen Vortrieben werden Kreisquerschnitte aufgefahren, bei konventionellen (bergmannischen) Vortrieben sog. Maulprofile und bei offener Bauweise Stahlbetonrahmen und z. T. auch Gewolbequerschnitte. Kreisquerschnittahnliche Formen werden bei konventionellen Vortrieben nur geplant, wenn diese statisch erforderlich sind, wie z. B. bei hohem Wasserdruck oder in quellfahigem Gebirge zur Aufnahme des Quelldrucks. Die Querschnittsabmessungen sind aus Abb. 17.2
Tabelle 17.1 Einteilung der Hohlraumbauten nach der Oberlagerungshohe hinsichtlich ingenieurgeologischer Prognose und Gebirgsverhalten. Hochgebirgsverhiiltnisse
Mittelgebirgsverhaltnisse
Seicht liegende Tunnel Oberlagerung bis 300 m
Seicht liegende Tunnel Oberlagerung < 30 m
(2D) Mitteltief liegende Tunnel Oberlagerung 300 bis 1000 m
Mitteltief liegende Tunnel Oberlagerung 30 bis 60 m (40)
Tief liegende Tunnel Oberlagerung> 1000 m
Tief liegende Tunnel Oberlagerung > 60 m
464
17 Tunnelbau
17
FIRSTE
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STROSSE
besonderem MaBe ein kontinuierlicher interaktiver Prozess, bei dem standig Anpassungen und Optimierungen an die dazugewonnenen Erkenntnisse tiber den Gebirgsbau und die Wasserfiihrung des Gebirges vorzunehmen sind. Dies erfordert nicht nur eine interdisziplinare, reibungslos tibergreifende Zusammenarbeit, sondem auch Kompetenz und Kontinuitat in der Zusammensetzung des Planungsteams (s. BRUGGER & SACHS 2009).
SOHLGEwOLBE
17.2.1 Erkundungsinhalte, Richtlinien
Abb. 17.1 Begriffe im Tunnelbau.
ersichtlich. Lange Verkehrstunnel (> 1 km) werden aus Sicherheitsgrtinden meist als zwei eingleisige (Richtungs-)Tunnelrohren mit Seitenabstanden von 20 bis 40 m und Querschlagen in Abstanden von 300 bis 1000 m ausgefiihrt. Die tibliche Nutzungsdauer von Verkehrstunneln wird allgemein mit 100 bis 150 Jahren angegeben. Einige alte Eisenbahntunnel haben inzwischen eine Nutzungsdauer von 150 Jahren erreicht.
17. 2 Aufgaben und Grenzen der ingenieurgeologischen Erkundung, Risi komanagement Die ingenieurgeologisch-geotechnische Beratung, die Planung und der Bau eines Tunnels sind in
2-spurige Richtungsfahrbahn mit Standstreifen
Aufgabe der ingenieurgeologischen Erkundung ist die tunnelbautechnische Beschreibung und Beurteilung des Gebirges. Dazu gehort nicht nur die Beschreibung der Gesteine und des Trennflachengefiiges sowie die Erkundung der Grundwasserverhaltnisse, sondem vor allen Dingen eine Darstellung der Lagerungsverhaltnisse und eine Beschreibung der tektonischen Beanspruchung des Gebirges sowie moglicher anderer geologischer Besonderheiten. AuBerdem sind die Eigenschaften und Kennwerte der Gesteine und des Gebirges, die Raumstellung der maBgeblichen Trennflachen, insbesondere der tektonischen Storungszonen, sowie ihre Ausbildung, einschlieBlich einer moglichen Festigkeitsabminderung des Gebirges relevant. Auch auf die Mineralogie einiger Gesteinsarten ist frtihzeitig hinzuweisen. Liegen quarzitisch gebundene Gesteinsarten vor, besteht GeHihrdung durch silikogenen Staub. Bei Grundgebirgs-
2-gleisiger Eisenbahntunnel
2-spuriger StraBentunnel
Abb. 17.2 Regelquerschnitte fUr Verkehrstunnel bei bergmannischer Bauweise (nach
EDLMAIR
&
PACHER
2009).
17.2 Aufgaben und Grenzen der ingenieurgeologischen Erkundung, Risikomanagement
und Schiefergebirgstunneln ist je nach Geologie besonders auf die Moglichkeit des Auftretens asbestfaserartiger Minerale (meist in Kluftfullungen) zu achten (AESCHBACH 2004). In der DAUB-Empfehlung fUr Tunnelvortriebe in asbestbelasteten Gesteinen (2007) sind verschiedene Dbersichtskarten mit Angabe derartiger Gebiete enthalten (s. a. Tunnelbautaschenbuch 2008, S. 141-160). Eine mogliche Asbestgefahrdung ist zu beschreiben, wobei der Tunnel in asbestfreie und asbestgefahrdete Abschnitte zu unterteilen ist. Notigenfalls ist ein sachkundiger Kristallinmineraloge beizuziehen (s. Abschn. 17.2.7). Besonderes Augenmerk ist auch auf sulfidhaltige Gesteine gemaiS Abschn. 2.2.3 zu rich ten, deren primare Sulfide in sekundare Sulfide oder Sulfate umgesetzt werden, wobei freie Schwefelsaure entstehen kann. Diese Vorgange fuhren nicht nur zu einer Zersetzung des Gesteins (s. Abschn. 13.4.1} sondern bedeuten aufgrund des starken Abfalls des pH-Werts und der hohen Sufatgehalte eine Gefahrdung fUr Oberflachenund Sickerwasser (s. Abschn. 17.2.7 und KEMPFERT et al. 2008). Auch auf die Zerfallserscheinungen einiger anderer Festgesteine gemaiS Abschn. 3.4.2 sei hier noch einmal verwiesen. Die tunnelbautechnische Beschreibung und Beurteilung des Gebirges dient einerseits fur die Ermittlung der Gebirgs- bzw. Ausbruchsklassen, fUr das Tragverhalten des Gebirges und fur die Losbarkeit beim Ausbruch und andererseits als Grundlage fur ein geotechnisches Gebirgsmodell fUr numerische Berechnungen. Weiterhin mussen Ruckschlusse auf die Wahl des Bauverfahrens einschlieglich der Einsatzmoglichkeit von Tunnelbohrmaschinen gezogen werden konnen. Die geotechnische Prognose ist Grundlage fUr die Planung und Ausschreibung, angefangen yom Vortriebskonzept mit der Auswahl der Vortriebsmethode und der Stutzmittel bis hin zu den im Bedarfsfall erforderlichen Bauhilfsmagnahmen im Zuge des Vortriebs und sie muss den anbietenden Firmen eine moglichst einwandfreie Preiskalkulation ermoglichen. Die zunehmende Mechanisierung des Tunnelbaus und der Einsatz von Tunnelbohrmaschinen mit ihrer nur bedingten Anpassungsfahigkeit an wechselnde Gebirgsverhaltnisse, steigert die Bedeutung der ingenieurgeologisch-geotechnischen Erkundung. Der Einsatz von Tunnelbohrmaschinen erfordert haufig umfangreichere Vor-
465
arbeiten als ein herkommlicher Sprengvortrieb (s. Abschn. 17.6.4.4). Auger den Normen sind bei Tunnelprojekten besonders die einschlagigen Richtlinien und Merkbliitter zu beach ten. Bei Eisenbahntunneln sind dies die Richtlinie (RiL) 853 (2007) der Deutschen Bahn AG. Fur den Stragentunnelbau steht mit der ZTV-ING von 2007 (BRUMMERMANN 2008), Teil 5, Tunnelbau, ein umfassendes Regelwerk, bestehend aus 5 Abschnitten zur VerfUgung: 1. Geschlossene Bauweise 2. Offene Bauweise 3. Maschinelle Schildvortriebsverfahren 4. Betriebstechnische Ausstattung 5. Abdichtung. Fur maschinelle Vortriebsverfahren wird augerdem auf die DAUB-Empfehlungen verwiesen (s. Anlage). Daruber hinaus kann es zweckmalSig sein, auch die einschlagigen osterreichischen und schweizerischen Normen und Richtlinien zu kennen. Die osterreichischen Regelwerke sind in den Zeitschriften Felsbau 2003: 4 und Tunnel 2006:4 zusammengestellt, die aktuellen Schweizer SIA-Tunnelnormen in der Zeitschrift Tunnel 2005: 4.
17.2.2 Risikomanagement und Gefahrdungsbilder 1m Tunnelbau ist immer eine gewisse latente Gefahrdung gegeben. Dieses erhohte Risikopotenzial ergibt sich schon aus der Mehrfachfunktion des Gebirges (s. Abschn. 17.1) und dem oft schwer vorhersehbaren, zeitabhangigen Verhalten des Gebirges bei Eingriffen. In keinem anderen Bereich des Bauwesens haben sich in den letzten Jahrzehnten derart viele Grogschaden ereignet, wie im Tunnelbau, wobei es sich meist urn Einsturzereignisse wahrend der Vortriebsarbeiten gehandelt hat (WANNICK 2007). Seit 2009 ist bei Tunnelbauprojekten ein wirksames Risikomanagementsystem (RMS) ublich, welches auch die operativen Projektrisiken der gesamten Leistungserstellung abdeckt (HOFBAUER 2009). Fur eine professionelle Risikominimierung wird auf die deutsche Fassung der ITIG-Richtlinie zum Risikomanagement von
7
466
1
Tunnelprojekten verwiesen (REINER 2006; WANNICK 2007; WANNICK & BRETZ 2008). Hauptziele der Richtlinie sind Mindestanforderungen an ein Risikomanagement (u. a. ausreiehende Voruntersuchungen), eine klare Definition der Zustandigkeiten sowie ein MaBnahmenkatalog und eine baubegleitende Fachberatung. Risikoanalysen (RA) sind im Prinzip abstrakte Denkmodelle auf der Grundlage komplexer und haufig zueinander in Wechselwirkung stehender Einzelfaktoren. Sie dienen dazu, die mogliehen Risiken zu ermitteln, iiberschaubar zu machen sowie die Eintrittswahrscheinlichkeit und die Schadenshohe abzuschatzen und durch geeignete MaBnahmen soweit zu reduzieren, dass ein akzeptables Restrisiko erreicht wird. Den Umgang mit einer bestehenden Risikosituation regelt dann das Risikomanagement. Das Konzept dazu besteht im Wesentlichen aus drei Schritten: Risikoanalyse (erkennen, zusammenstellen und bewerten) Risikosteuerung (vermeiden, vermindern, verlagern) Risikoiiberwachung (Steuerung und Kontrolle). Bei der iiblichen Aufschlussdichte kann bei Mittelgebirgstunneln im Allgemeinen erwartet werden, dass in der ingenieurgeologischen Prognose keine erheblichen Abweiehungen und keine unerkannten Risiken auftreten. Moglich sind Abweiehungen im Gebirgsverhalten. Bei tief liegenden Tunneln sind aufgrund der begrenzten Aufschlussmoglichkeiten gewisse Abweiehungen und auch unerkannte Risiken nieht ungewohnlich, insbesondere was das Gebirgs- bzw. Systemverhalten angeht. Die beste Methode, den Gebirgsbau und das Gebirgsverhalten moglichst zutreffend zu erfassen, liegt in beiden Fallen in der regionalen und tunnelbautechnischen Erfahrung des Ingenieurgeologen und in der Zusammenarbeit mit dem Planungsteam. Urn einen Tunnel sieher, kostengiinstig und termingerecht ausfiihren zu konnen, miissen die Problembereiehe erkannt und sog. Risikozonen und Gefahrdungsbilder zusammengestellt werden. Gefahrdungsbilder setzen eine sorgfaltige Problemanalyse voraus (was ist aufgrund der geotechnischen Gegebenheiten moglich und was zeigt die Erfahrung?) und sie bestehen aus einer bildhaften und beschreibenden Vorstellung iiber
17 Tunnelbau
gebirgsbedingte Schwachstellen, die zu Schadensereignissen fiihren konnen. Die Bedeutung dieses Vorgehens ergibt sich daraus, dass nur erkannte Risiken Eingang in das Risikomanagement finden konnen. Als geologische Risikofaktoren konnen auftreten: groBe und breite Storungszonen, insbesondere spitzwinklig oder schleifend, z. T. auch den Tunnel wellenformig, d. h. teilweise im Profil, teilweise tangierend begleitende Strukturen lithologische Schwachezonen, insbesondere starker beanspruchte Ton- und Schiefergesteine, wie Phyllite und glimmerhaltige Gesteine tiefwirkende Hangbewegungen tiefreichende Gebirgsentfestigung (alte Landoberflachen) oder verdeckte Lockergesteinsmulden (tektonische Storungszonen) starker Wasseranfall, insbesondere in wenig kohasiven Baugrund Auftreten von Gasen quellfahige Gesteine Karstgebirge (auch verdeckter Karst an alten Landoberflachen) Altbergbau Bodenkontaminationen (besonders asbestund sulfidhaltige Gesteine) ungewohnlieher Primarspannungszustand Gebirge mit Tendenz zu allmahlieher Entfestigung oder zu Kriechverformungen. Ein Risiko wird definiert als Schaden, mit dem in der Folge einer MaBnahme zu rechnen ist, und zwar SchadensausmaB multipliziert mit der Eintrittswahrscheinlichkeit (Abschn. 16.7.2.3). Wo es wegen mangelnder Vorhersehbarkeit nicht moglich ist, Auftretenswahrscheinliehkeit und AusmaB moglicher Ereignisse zu quantifizieren, begniigt man sieh haufig mit qualitativen Methoden der Risikobewertung. Sie stiitzen sich im Wesentliehen auf Erfahrungen bei vergleiehbaren Projekten. Bei der Abschatzung der Risiken sind zu unterscheiden, das eigentliehe Baugrundrisiko, d. h. Abweichungen gegeniiber den prognostizierten Gebirgs- und Grundwasserverhaltnissen und das sogenannte Systemrisiko, d. s. nieht vorhersehbare Reaktionen im Gebirgsverhalten beim Vortrieb. Die Auswirkungen beider Risiken konnen unzulassig groBe Setzungen der Tunnel-
17. 2 Aufgaben und Grenzen der ingenieurgeologischen Erkundung, Risikomanagement
schale sein (sog. Setzungsrisiko) oder ungiinstigenfalls auch ein Nachbruch bzw. Verbruch. Dazu kommen Wassererschwernisse, bis hin zu einem Wassereinbruch (s. Abschn. 17.2.5.2). Bei einer quantitativen analytischen Risikobewertung versucht man, die Eintrittswahrscheinlichkeit und das SchadensausmaB auf der Grundlage von Erfahrungswerten und Simulationen quantitativ zu ermitteln. Das Problem dabei ist, dass beide Eingangswerte in hohem MaBe unbestimmt sind. Unabhangig von der Schwierigkeit, das SchadensausmaB einigermaBen zutreffend anzugeben, kann die Eintrittswahrscheinlichkeit im Tunnelbau nicht oder nur sehr grob abgeschatzt werden, zumal sie sehr stark von den Vortriebsarbeiten, den WasserhaltungsmaBnahmen und moglichen Ausflihrungsmangeln abhangt. Die Bewertung des Risikos kann anhand einer Bewertungsmatrix nach dem zu erwartenden SchadensausmaB (sehr hoch ist z. B. ein Verbruch mit Gefahr flir Menschen und Sachen, auch Dbertage) und der Eintrittswahrscheinlichkeit erfolgen (Abb. 16.8). Darin bedeuten z. B.: Risikoklasse I, die Notwendigkeit einer Anderung der Ausfiihrungsplanung Risikoklasse II und III eine planerische Verstarkung der Sicherungsmittel oder Anderung der Vortriebsklasse Risikoklasse IV, vorsorgliche MaBnahmen wahrend des Vortriebs diirften ausreichend sein. Detaillierte Berechnungen werden im Allgemeinen erst bei hoher Eintrittswahrscheinlichkeit vorgenommen (s. OGG-Richtlinie 2005). Ein Beispiel flir eine solche Risikosimulationsrechnung bringen FRENZL et al. (2005; 2007). Aus den Ergebnissen der Risikoanalyse werden Entscheidungen iiber die Vorgehensweise und die bestmogliche Handhabung bei Eintritt eines Risikos getroffen. Ziel dieser Risikosteuerung ist die Entwicklung und Abstimmung sicherheitstechnischer MaBnahmen und Losungen flir aIle Eventualitaten in den verschiedenen Bauphasen der Projektabwicklung, mit dem Ziel, ein akzeptables MaB an Sicherheit gegeniiber den erkannten Risiken zu erreichen. Nur wenn mittels detaillierter Ablaufe vorab festgelegt wird, was in kritischen Situationen zu tun ist, kann auch iiberwacht bzw. gepriift werden, ob es zu
467
einer entsprechenden Umsetzung der Vorgaben gekommen ist (s. a. Abschn. 17.4.2). Die Risikoiiberwachung wahrend der Bauausflihrung bedient sich dann der bekannten Beobachtungsmethoden (s. Abschn. 5.2 und 17.5.3), mit denen aber auch nur zeitlich verzogert eintretende Ereignisse beherrscht werden konnen, nicht dagegen Bruchereignisse ohne Vorankiindigung. Unter Restrisiko versteht man in der Regel ein Risiko aufgrund vorab nicht feststellbarer Inhomogenitaten und Kennwertabweichungen im Gebirge, das von den Verfahrensbeteiligten in Kauf genommen wird. Das Baugrundrisiko verbleibt auch dabei beim Bauherrn.
17.2.3 Spezielle Erkundungsmethoden Die Erkundung des Gebirges und der Grundwasserverhaltnisse erfolgt zweckmaBigerweise in mehreren, dem Planungsstand angepassten Untersuchungsstufen (Tab. 17.2). Wo keine modernen geologischen Karten zur Verfiigung stehen, ist zu Beginn der Untersuchungsarbeiten von einem mit der regionalen Geologie vertrauten Geologen eine Streifenkartierung i. M. 1: 10 000 oder 1: 5000 durchzuflihren. Dabei miissen besonders die Tektonik und geologische Besonderheiten beriicksichtigt werden. Die Bedeutung einer rechtzeitigen geologischen Gelandeerkundung wird vielfach unterschatzt. Die Folge davon ist, dass geologische Besonderheiten und Risiken nicht rechtzeitig erkannt und die aufwandigen Bohraufschliisse nicht von vornherein zielgerichtet angesetzt werden. Ein geologisch -tektonisches Modell allein auf der Basis linear angesetzter Aufschlussbohrungen kann die raumlichen Schichtlagerungsverhaltnisse nur unzureichend erfassen. Besonders schwer zu erkunden sind flachliegende, z. T. wellig verlaufende Storungszonen. Sofern in der Projektumgebung Bauten, Verkehrswege oder Versorgungseinrichtungen (z. B. Trinkwassergewinnungsanlagen) vorhanden sind, die durch die geplante BaumaBnahme beeintrachtigt werden konnen, sind die Untersuchungen daraufhin auszudehnen und BeweissicherungsmaBnahmen vorzusehen (z. B. Dokumentation der Schadensfreiheit bzw. der Risseentwicklung,
7
468
1
17 Tunnelbau
Tabelle 17.2 Untersuchungsprogramm in Anpassung an den jeweiligen Planungsstand (in Anlehnung an DB AG). Untersuchungsabstand
Planungs-/ Genehmigungsphase
Planung
Untersuchungslnhalte
Untersuchungsstufe
Linienfindung
Variantenuntersuchungen
Auswertung vorhandener Unterlagen
Raumordnung
Vorplanung
Geologische, hydrologische und wasserwirtschaftliche Verhaltnisse
Planfeststellung
Entwurfsplanung
- Bauwerksspezifische Vortriebs- und Standsicherheitsbetrachtungen - Abgrenzung der Auswirkungen auf Grundwasser und Gewasser
,. Erkundungsprogramm - Bohrungen, Sondierungen, Schurfe - Grundwassermessstell en - Feld- und Laborversuche - Luftbildauswertung - Geophysik. - Hydrologische 8eweissicherung u. Kartierung
500- 1000 m
Ausschreibung
Ausschreibungsplanung
Tunnelbautechnisches Vorlriebs-, Sicherungsund Wasserhaltungskonzept
2. Erkundungsprogramm - Bohrungen, Sondierungen, Schurfe - Grundwassermessstellen - Feld- und Laborversuche - numerische Grundwassermodellierung - hydrologische Beweissicherung - BaugrundgroBaufschlusse (Erkundungsschachte/-stollen)
100- 500 m
Realisierung
AusfUhrungsplanung
Untersuchungen bezuglich spezieller, noch zu klarender bautechnischer Fragestellung zur Absicherung der AusfGhrungsplanung
3. Erkundungsprogramm Feinuntersuchungen zur AusfUhrungsplanung und BauausfUhrung
Vertiefende Voruntersuchungen,geol. Streifenkartierungen
17. 2 Aufgaben und Grenzen der ingenieurgeologischen Erkundung, Risikomanagement
Setzungsmessungen, Erschiitterungsmessungen). Ober die Rechtssituation bei der Unterfahrung bebauter Privatgrundstiicke und etwaige Entschadigungsanspriiche berichtet MARKUS (2008). In Bezug auf Erschiitterungen und Schallemissionen werden in der Regel drei Zonen unterschieden, weniger als 100 m Entfernung zum Tunnel, 100 bis 300 m und dariiber hinaus (s. d. Abschn. 6.2.5, ARNOLD 1995; CZOPAK & NEUMULLER 2009). Die Erkundung ist auch darauf auszudehnen, ob im Querschnitt des Tunnels von angrenzenden Bauprojekten ausgehende Baubehelfsmittel im Untergrund verblieben sein konnen, wie Teile eines Baugrubenverbaus, Anker oder ahnliche Bauteile. Die iiblichen ingenieurgeologischen Untersuchungsmethoden und ihre Auswertung sind im Abschn. 4 behandelt. Aufschlussbohrungen sind so anzusetzen, dass daraus keine nachteiligen Folgen fUr das Bauwerk entstehen (z. B. Bohrungen neben die Trasse legen oder notigenfalls mit Betonpfropfen abdichten). Besondere Aufmerksamkeit ist immer den Portalbereichen zu widmen sowie Tunnelabschnitten mit geringer Oberdeckung, besonders unter Seitentalern und Muldenformen am Hang. Die Bohrabstande entlang der Tunnelstrecke betragen je nach Oberlagerungshohe etwa 100 bis 500 m, bei tief liegenden Tunneln auch mehr. Die Tiefe der Bohrungen solI dabei mindestens bis in einfache Ausbruchbreite unter die Tunnelsohle reichen. Kluft- oder Storungszonen mussen notigenfalls durch gezielt angesetzte Schragbohrungen erkundet werden, die nicht nur eine Aussage iiber die Kluftdichte ermoglichen sondern auch iiber Breite und Ausbildung der tektonischen Strukturen (s. Abschn. 3.2.6 und KONNINGS & LEIPZIGER 1997). Fur die Portalbereiche sind moglichst genaue Informationen iiber die Grenzflache Lockergestein/Fels sowie iiber die Ausbildung und Standfestigkeit der Schichten und iiber die Lage des Grundwasserspiegels zu liefern. 1m Allgemeinen werden bei Mittelgebirgstunneln die Portalbereiche mit jeweils zwei bis drei Bohrungen erkundet, davon meist eine Schrag- oder Horizontalbohrung. Untersuchungsziel ist dabei weniger der eigentliche Portalstandort, sondern die bergmannische Anschlagwand. Sie wird in der Regel bei einer Firstiiberlagerung von 6 bis 10 m angesetzt (Mindestuberdeckung '" 1/2 D). Die An-
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Abb. 17.3 Portallangsschnitt mit Anschlagwand und Gelandegestaltung.
schlagwand (Abb. 17.3) wird bis etwa 3 m iiber Firstniveau moglichst steil angesetzt (4:1 bis 2:1), dariiber den Erfordernissen entsprechend abgeflacht. Die Standsicherheit ist nachzuweisen (Berechnungsansatze s. Abschn. 5.7). Entwasserungsbohrungen miissen bis hinter die Systemgrenze gefUhrt werden (s. Abschn. 10.5.4). Die bei steilen und hohen Boschungen unvermeidbaren Entlastungsverformungen, die mit einem Abfall der Scherfestigkeit auf sich Offnenden Kluftflachen verbunden sind, miissen in den Berechnungen beriicksichtigt und vermessungstechnisch kontrolliert werden. Bei tief liegenden Tunneln sind direkte Aufschliisse nur in sehr begrenzten Umfang moglich (Bohrtiefe, Zuganglichkeit). Hier gilt es in verstarktem Malk vorhandene Unterlagen und Detailkartierungen auszuwerten und anhand moglichst realistischer geologischer Langsprofile tektonische Storungszonen und andere geologische Schwachezonen herauszuarbeiten (SCHNEIDER 1997; POTTLER et al. 2006). Die weitere Erkundung wird bei tiefliegenden Tunneln in der Regel auf Untertage verlegt. Dabei kommen auBer Pilotstollen folgende Techniken in Betracht: Erkundungsbohrungen aus dem (stillstehenden) Vortrieb Erkundungsbohrungen aus Pilotstollen, Seitenstollen, Bohrnischen Preventerbohrungen bei zu erwartenden hohen Wasserdrucken (s. Abschn. 4.6). Erkundungsbohrungen yom Tunnel aus konnen als Vollbohrungen ohne Kerngewinn mit Vortriebsgeraten ausgefUhrt werden oder als Kernbohrungen mit Fremdgeraten. Bei Vollbohrungen beruht die Auswertung im Wesentlichen auf den Bohrparametern (Anpressdruck, Bohrfortschritt, Pumpendruck) und Farbanderungen des Spiilwassers. Damit konnen Wasserzutritte, klei-
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nere Storungszonen und Karsthohlraume erkundet werden, allerdings ohne genaue Lokalisierung und ohne qualitative Bewertung (ZIEGLER 2008). Hinsichtlich der zu erwartenden Bohrlochabweichungen von langen Kernbohrungen siehe Abschn. 4.8.2. Auch den hydrogeologischen Verhiiltnissen (hydrogeologische Kartierungen und Langzeitbeobachtungen von Quellen u. a.) sowie den Wassertemperaturen ist besondere Aufmerksamkeit zu widmen. Allgemein steigen die Gebirgs- bzw. Wassertemperaturen mit zunehmender Oberlagerungshohe an (s. Abschn. 20.1.1), konnen aber in gut wasserwegsamen Storungszonen mit Kaltwasserzutritten von weiter oben im Gebirge auch deutlich niedriger ausfallen. Fur eine Temperaturprognose (geothermische Tiefenstufe) durfen die Temperaturprofile in Bohrungen nicht unmittelbar nach Abschluss der Bohrarbeiten gemessen werden, sondern erst Tage spater, nachdem sich stabile TemperaturverhaItnisse eingestellt haben. Auger den Arbeitstemperaturen beim Vortrieb (Grenzwert meist 28°C, bei Vortriebsmaschinen z. T. 30°, s. HOME 2009) und dem rascheren Erhartungsverhalten des Spritzbetons und des Ankermortels geht die Verteilung der Felstemperatur entlang des Tunnels auch in die Dimensionierung der Tunnelliiftung ein. Ungewohnlich niedrige Temperaturen konnen ebenfalls eine Arbeitserschwernis darstellen. Ein Erkundungsschacht oder Erkundungsstollen im Bereich des geplanten Projekts ist allen
Abb. 17.4 Anordnungsmoglichkeiten fOr einen Erkundungsstollen.
17 Tunnelbau
anderen Untersuchungsmethoden uberlegen. Zu unterscheiden sind hierbei Erkundungsstollen, die vorab die gesamte schwierige Strecke durchfahren und Pilotstollen, die erst im Rahmen des Hauptvortriebs ausgefUhrt werden. Die nachste Frage ist, wo im Profil der Stollen angesetzt werden soli, was von der jeweiligen Zweckbestimmung abhangig ist (Abb. 17.4). Vorab ausgefuhrte Erkundungsstollen sollten nicht als Fifststollen aufgefahren werden. Ein Erkundungsstollen seitlich parallel oder mittig zwischen den spateren Hauptvortrieben kann mehrere Funktionen erfiillen (Entwasserung, Gelegenheit zu vorlaufender Gebirgsverbesserung, Flucht- oder Dienststollen). Die ublichen Abmessungen sind 20-25m2 Ausbruchsquerschnitt bzw. 4 bis 6m Durchmesser. Bei langeren Tunneln stellt sich dann die Frage, ob der Erkundungsstollen konventionell oder maschinell aufgefahren werden soli. Fur einen konventionellen Ausbruch sind die ublichen Querschnitte etwas beengt und es stehen kaum geeignete Vortriebsgerate zur Verfiigung. Von Vorteil ist dabei aber die zugangliche Ortsbrust (ingenieurgeologische Information) und die flexiblere Bauweise in grogeren Storungszonen oder bei starkeren Wasserzutritten. Konventionell aufgefahrene Erkundungsstollen konnen augerdem leichter zu einem Probeausbruch aufgeweitet werden. Wenn dagegen der Haupttunnel mit einer Vortriebsmaschine aufgefahren werden soli, sprechen einige Faktoren dafiir, auch den
17.2 Aufgaben und Grenzen der ingenieurgeologischen Erkundung, Risikomanagement
Erkundungsstollen maschinell aufzufahren, urn die entsprechenden Techniken zu testen. Grundlage der Entscheidung bleiben aber auch dann geologisch-geotechnische und hydrogeologische Fragestellungen (s. Abschn. 17.6.4.3 und SCHNEIDER et al. 2007). Ein Erkundungsstollen ersetzt bei rechtzeitiger Planung einen Gro6teil der sonstigen Aufschlussarbeiten. Er ermoglicht einen direkten Einblick in den Gebirgsbau und gibt Hinweise auf das Gebirgsverhalten sowie auf den Grundwasseranfall (Menge, Druck, Chemismus). Er bietet daruber hinaus Gelegenheit zu vorgezogenen felsmechanischen Messungen und Versuchen am Objekt und hat Vorteile beim spateren Vortrieb. Bei der Bewertung der Auffahrergebnisse von Erkundungs- oder Pilotstollen ist immer zu bedenken, dass schwierige Gebirgsabschnitte oder Storungszonen sowie auch der Wasseranfall im kleinen Profil meist wesentlich leichter zu beherrschen sind, als im spiiteren Gro6profil (Abb. 17.26 und LORSCHEIDER & DIETZ 1996) und dass die Auflockerung urn den ausgebrochenen Erkundungsstollen eine Schwachung des Gebirges oft urn eine Gebirgsklasse bedeuten kann. Besondere Aufmerksamkeit ist auf die Erkundung tektonischer Storungszonen zu legen, die mehrfach Ursache fUr gr06ere Erschwernisse und auch von Verbruchereignissen gewesen sind. Bei einem moglichen Einsatz von Tunnelbohrmaschinen muss Storungszonen, insbesondere flach liegenden Storungszonen, erhohte Aufmerksamkeit gewidmet werden. Au6er den in Abschn. 4.2.4 und 4.2.5 beschriebenen Erkundungsmetho den sind in den 1990er Jahren gute Erfahrungen mit gezielt eingesetzten geophysikalischen Untersuchungen gemacht worden (s. Abschn. 4.3.2 und 17.2.4 sowie KONNINGS & LEIPZIGER 1997; ALTHAUS & RAKERS 1998; QUICK et al. 2000 und DOLZLMULLER et al. 2000). 1m Zuge der Vorerkundung muss bereits versucht werden, aus der tektonischen Gesamtsituation die in Frage kommenden Richtungen gr06erer Storungszonen zu erfassen. Dabei ist zwischen bautechnisch weniger relevanten Storungszonen und solchen mit hoher bautechnischer Relevanz zu unterscheiden (WAGNER et al. 2009). Zu Letzteren gehoren Storungszonen mit gr06erem Wasserandrang, breite Storungszonen mit heterogenem Internaufbau, dickeren Kataklasiten und mit
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tonbelegten Scherbahnen (s. Abschn. 3.4.4) sowie Scherbruchzonen mit Verdacht auf tektonische Gebirgsauflockerung und hoher Verformbarkeit gem. Abschn. 3.4.3.2. Solche Strukturen konnen ggf. mit Bohrlochaufweitungsversuchen nach Abschn. 2.6.7 erfasst werden. Besonders verformungsanrallig sind hydrothermal vertonte Storungsgesteine in und als Begleitstrukturen gr06erer Storungszonen (PRINZ 2001). Beim Tunnelvortrieb in tektonisch starker gestorten Bereichen sind notigenfalls Vorauserkundungsma6nahmen vorzusehen, urn nicht unvorbereitet in eine, den Vortrieb zumindest stark behindernde Storungszone einzufahren. Dabei konnen geophysikalische Methoden, vor allem Seismik (s. a. Abschn. 17.6.4.2) und langere Vorausbohrungen nach Abschn. 17.2.4 kombiniert werden, urn Lage und Aufbau der Storungszone sowie deren WasserfUhrung zu erkunden. Bei konventionellen Vortrieben ist auch verstarkt auf tektonische Begleitstrukturen zu achten, die moglicherweise eine gr06ere Storungszone ankundigen, sowie auf die Anfangssetzungen der Tunnelschale. Ein weiteres Erkundungsziel ist die Wiederverwendbarkeit des Tunnelausbruchmaterials, sei es als Betonzuschlagstoff (s. Abschn. 2.1.5) oder sonstige Rohstoffe der Steine und Erden, als Frostschutzmaterial oder Erdbaustoff gema6 Abschnitt 12, bzw. als nicht weiter verwertbares, zur Endlagerung bestimmtes Ausbruchsmaterial. In der Regel ist im Rahmen des Planfeststellungsverfahrens ein Massenverwertungs- bzw. Entsorgungskonzept zur ordnungsgema6en Verwertung oder Endlagerung des Tunnelausbruchsmaterials einzureichen. Ziel ist heute, eine wirtschaftliche und umweltschonende Wiederverwertung und moglichst geringe Restmassen zur Deponierung (s. RESCH et al. 2009). Das Problem dabei ist, dass das Ausbruchmaterial bis auf Ausnahmen als sehr heterogene Boden- und Felsmassen in stark wechselnder Qualitat und Korngr06e anrallt. Fur eine Sortierung und Bewertung der Brauchbarkeit waren auf der Baustelle gro6e Flachen fur Zwischenlager notig. Au6erdem mussten im Nahbereich der Baustelle Abnehmerbetriebe fUr die jeweiligen Fest- und Lockergesteine vorhanden sein, die bereit sind, das Material anzunehmen und zu verwerten. Hinzu kommt, dass das Tunnelausbruchsmaterial von TBM-Vortrieben zum gr06ten Teil aus Feinkorn
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besteht und selbst zur Deponierung oft erst einbaufahig gemacht werden muss. Sofern das Ausbruchsmaterial geogen oder vortriebsbedingt Verunreinigungen aufweist, ist jeweils zu prufen, ob eine Geflihrdung fUr Natur und Umwelt, insbesondere des Grundwassers, vorliegen kann (s. Abschn. 16.4.2.3 und 17.2.7). 1m Rahmen des Genehmigungsverfahrens sind dann eine Gefahrdungsabschiitzung und Vorschlage fUr Beweissicherungsmcillnahmen einzureichen (HAID & HAMMER 2009).
17.2.4 Tunnelplanung L in Karstgebieten 17.2.41 Erkundung und Gefahrdungsdefinltlon Tunnelprojekte in Karstgebirgen stellen eine besondere Herausforderung an alle am Bau Beteiligten dar. Die ublichen Erkundungsmethoden gemaB Abschn. 4 und Abschn. 19 liefern in der Regel keine verlasslichen Angaben uber das AusmaB der Verkarstung und uber die Art und Lage der Karsthohlraume in Bezug auf den Vortrieb. Eine Baugrunderkundung in Karstgebieten erfolgt zweckmaBigerweise immer mehrstufig. AuBer einer grundlichen Vorerkundung (Literaturstudium, Luftbildauswertung, breite Streifenkartierung nach karstmorphologischen Gesichtspunkten) ist es bei flach liegenden Tunnelbauwerken zweckmaBig, zunachst geophysikalische Messverfahren gemaB Abschn. 4.3.2 zur Erkundung der Tiefenlage der Felsoberflache, von tektonischen Schwachezonen, Erdfallstrukturen und Zonen starker Verkarstung einzusetzen (s. Abschn. 19.3.2). Anhand der Ergebnisse der Geophysik konnen die erforderlichen Bohraufschlusse gezielt angesetzt und geophysikalisch ermittelte Anomalien mit einem abgestuften Bohrprogramm untersucht werden (POTTLER et al. 2002). Insgesamt ist in Karstgebieten immer mit einem wesentlich hoheren Erkundungsaufwand und mit deutlich mehr Erkundungsbohrungen zu rechnen (s. Abschn. 19.3.3). Besonders anfallig fur groBere Karststrukturen sind maschinelle
17 Tunnelbau
Vortriebe (ROGOWSKI 2005). Bei Antreffen von offenen Hohlraumen in Bohrungen konnen zur Ermittlung der Geometrie der Karststrukturen auch Kamerabefahrungen oder Echolog-Messungen (Abschn. 19.3.2) vorgesehen werden. Auch bei groBem Untersuchungsaufwand besteht keine Gewahr, dass mit wirtschaftlich vertretbaren Mitteln die maBgebenden Karststrukturen zutreffend erfasst werden, so dass ggf. ein vorgezogener Erkundungsstollen in Erwagung zu ziehen ist. Bei tiefer liegenden Tunnelprojekten ist aufgrund der Tiefenbegrenzung der geophysikalischen Messverfahren vorab meist nur eine orientierende Karsterkundung moglich. Die weitere Erkundung der Karststrukturen im hohlraumnahen Bereich muss dann durch einen vorgezogenen Erkundungsstollen im spateren Tunnelquerschnitt erfolgen, von dem aus die Verkarstungsstrukturen mittels geophysikalischer Methoden und auch Bohrungen erkundet und falls notig vor Baubeginn saniert werden konnen (Abb. 17.5 und MARQUART et al. 2007). Alternativ konnen diese MaBnahmen auch aus dem Vortrieb heraus erfolgen, was jedoch zu Behinderungen fUr den Vortrieb und zu Bauzeitverzogerungen fUhrt. Ziel der ErkundungsmaBnahmen ist es, anhand der zu erwartenden Karststrukturen zunachst grundsatzliche Gefahrdungszonen auszuweisen (s. Abschn. 19.3.1 und MICHAEL et al. 2003), z. B.: Zone 0
kein verkarstungsanfiilliges Gebirge im Trassenbereich
Zone 1
Gebirge mit geringer Verkarstung
Zone 2
kompaktes Gebirge mit starker Verkarstung
Zone 3
zerriittetes Gebirge mit starker Verkarstung. Erdfallformen im Geliinde
und Gefahrdungsbilder zu definieren. Eine solche Definition ingenieurmaBig abgrenzbarer Gefahrdungen ist Grundlage fUr eine Risikoanalyse gemaB Abschn. 17.2.2. Fur einen Tunnelvortrieb sind die Karststrukturen im direkten Bauwerksbereich maBgebend, d. h. deren GroBe, ihre Lage zum Bauwerk sowie die Ausbildung des Gebirges in den Randbereichen (s. d. Abschn.
17. 2 Aufgaben und Grenzen der ingenieurgeologischen Erkundung, Risikomanagement
Abb. 17.5 Geophysikalische Erkundung von Karsthohlraumen von den Erkundungsstollen (aus WITTKE 2004).
19.2.1). Anzugeben ist nach Moglichkeit, weIehe Art von Karststrukturen oder Hohlraume beim Vortrieb in kritischer Entfernung zum Bauwerk (IO-lSm) auftreten konnen (Abb. 17.6 und MATTLE et al. 2003). 1m Kalksteinkarst ist z. B. mit folgenden Karststrukturen zu rechnen (JOHN & STRAPPLER 2003; MARQUART 2004): Kluftkarst in Form von korrosiv erweiterten Kliiften bis 10 em Breite Karstschlauche oder Karstlocher mit einer maximalen Offnungsweite bis 1 m Lochkarst mit sehr unregelmamgen Formen und Offnungsweiten Karsthohlen durch Auslaugung oder Versturz, horizontal oder vertikal.
Abb. 17.6 Kritische GroBe von Karsthohlraumen in Abhangigkeit von der Entfernung zum Tunnel (MAIDL & MAIDL 2006).
473
Die verschiedenen Karsthohlraume konnen frei sein bzw. teilweise oder ganz mit steinig-Iehmigem Lockermaterial verfiillt bzw. durch verstiirzte Blocke verschlossen sein (REICHL et al. 2009). An der NBS Ingolstadt-Niirnberg wurden mehrfach soIehe ausgedehnte und begehbare, z. T. mit Blockwerk verlegten Karsthohlraumsysteme angetroffen. Die groBte hier angetroffene Karsthohle hatte ein Volumen von etwa 1000 m 3 (Irslahiill-Tunnel im Baulos Mitte). Von auBergewohnlichen Karstphanomenen, die bei Eisenbahntunneln in Siidchina angetroffen worden sind, berichten KREUTZER & HOLZHAUSER (2008). Die Gefahrdung selbst besteht dann in erster Linie aus Instabilitiiten des Karstgebirges in Form von: Einsturz bzw. Nachbrechen von Hohlraumen einer Einsenkung iiber offenen, verzweigten Strukturen lang anhaltenden Setzungen iiber groBeren bindigen Karstfiillungen Erosion in Karststrukturen bei Veranderung der Grundwasserstromung Abrieseln von Material aus dem Gleisunterbau in offene Kliifte und Spalten Steifigkeitsdifferenzen, besonders iiber sog. Felstiirmen. Grundsatzlich zu unterscheiden sind Vortriebe unterhalb des Karstwasserspiegels mit der Gefahr von Wasser- und Schlammeinbriichen (TEUSCHER et al. 2002; KREUTZER & HOLZHAUSER 2008) und soIehe ohne Karstwassereinfiuss, die beide entsprechend unterschiedliche MaBnahmen erfordern. Dabei ist zu beachten, dass der Karstwasserspiegel niederschlagsbedingt kurzfristig Wechselstande im Dekameterbereich aufweisen kann. Bei Vortrieben im Bereich des Karstwasserspiegels sind folgende Gefahrdungen zu unterscheiden: Plotzlicher massiver Wasser- oder Schlammeinbruch (Abb. 17.7) Unterschiedlicher Wasserzulauf infolge von Grundwasserwechselstanden Versinterung von Dranleitungen gemaB Abschn. 17.2.5.3 Beeinflussung benachbarter Quellen und Gewinnungsanlagen. Karstquellen im moglichen Einflussbereich eines Projektes sind langfristig zu kontrollieren. Die
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17 Tunnelbau
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17
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95m
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Bohrung Nr
JZ-tll5-04-L7
6 m Kalksle,n.slark velWllten 12 m Kalksleln. sehr stark velWlltert 9.5 m Kalksle,n. verkarslel I zerbrochen
VerbnJchmasse
(Schlamm mil GeslelnsslOcken)
26.3 m Kalksteln. klOftl\l 1 slark zerbrOChen
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1060
1080
1100
Abb. 17.7 AusflieBen von ca. 2000 m3 lehmig-sandiger SchlottenfGllung und Verbruchkrater an einem Karstschlot (nach KREUTZER & HOLZHAUSER 2008).
Schiittungen einzelner Karstquellen konnen saisonal zwischen 0 1/ s und 1000 1/ s wechseln (s. Abschn. 2.8.5 sowie 17.2.5.2 und FLUDER & FORSTER 2005). Dariiber hinaus ist ein Karstgebirge ein stark durchlassiges System mit schwierig abschatzbaren Wasserwegen (s. Abschn. 2.8.5 und 17.2.5.1). Gutachterliche Aussagen und konkrete wasserrechtliche Auflagen wegen einer moglichen Beeintrachtigung des Grundwassers durch den Vortrieb sind nur sehr eingeschrankt moglich. Bewahrt hat sich in solchen Fallen die Auflage, bei Antreffen von Karstgerinnen oder Hohlen, die notwendigen Sicherungsma6nahmen mit der zustandigen Wasserbehorde abzustimmen (BOHLKE 2010).
17.2.4.2 MaBnahmen beim Vortraeb Bei den Vortriebsarbeiten ist eine systematische ingenieurgeologische Betreuung unerlasslich (PLINNINGER et al. 2005). Dabei ist zu beachten, dass sich Karststrukturen und Hohlraume in einem Kalksteingebirge meist nicht durch vorab erkennbare Veranderungen des Randgesteins ankiindigen. Au6er einer sorgfaltigen Ortsbrustaufnahme mit standiger Bewertung der Gebirgsverhaltnisse sind im Bedarfsfall zusatzliche geophysikalische Erkundungsma6nahmen vom
Tunnel aus bzw. Vorausbohrungen an der Ortsbrust und im Sohlbereich in Betracht zu ziehen. Der Einsatz vom Tunnel aus bietet eine bessere Eindringtiefe und Auflosung als Oberflachengeophysik (s. Abschn. 19.3.2). Einzelne Karstschlotten von weniger als 1 m 2 Querschnitt konnen allerdings auch damit nicht zuverlassig dedektiert werden. Au6erdem ist zu beachten, dass die metallischen Sicherungsmittel im Vortrieb (Anker, Ausbaubogen, Bewehrung) alle elektrischen Verfahren beeinflussen. Seismische Methoden konnen durch den Baubetrieb gestort werden (s. MAIDL & MAIDL 2006). Die geophysikalischen Messungen sollten deshalb immer durch direkte Aufschliisse (Bohrungen) erganzt werden (RADLINGER 2003; ZIEGLER 2008). Dariiber hinaus konnen sog. Bohrloch-Spezialverfahren eingesetzt werden, d. S. seismische oder elektromagnetische Messungen von Vorausbohrungen aus und zwar im Reflexionsmodus oder als tomographische Messung (Abschn. 19.3.2). Die aussagekraftigste Vorauserkundungsmethode vom Tunnel aus sind Vorausbohrungen. In den meisten Fallen reichen zerstorende Vollbohrungen mit den Vortriebsgeraten aus, die allerdings von einem Ingenieurgeologen iiberwacht und interpretiert werden miissen (z. B. hart/weich/hohl) sowie Farbung des Spiilwassers. Die Lange der Bohrungen betragt in der Regel
17. 2 Aufgaben und Grenzen der ingenieurgeologischen Erkundung, Risikomanagement
6-10 m, die der Sohlbohrungen 8-15 m. Falls Karststrukturen angetroffen werden, muss das Bohrraster notigenfalls verdichtet werden (JOHN & STRAPPLER 2003). Bei tiefer liegenden Tunneln unterhalb des Karstwasserspiegels werden zur Erkundung wasserfiihrender Strukturen ublicherweise Kernbohrungen von 50 bis z. T. uber 100 m Lange eingesetzt. Bei starkeren Wasserzutritten mussen Preventer vorgesehen werden (s. Abschn. 4.6). Die Lage der Bohrungen ist darauf auszurichten, die jeweilige Position sowie die Schuttmenge der spater durch den Tunnel aufzufahrenden wasserfiihrenden Strukturen zu erfassen (s. PESENDORFER & LOEW 2007; ZIEGLER 2008). Auf der Grundlage der ingenieurgeologischen Erkundung wird vorab ein moglichst zutreffendes Gebirgsmodell erstellt, Gefg
OW.. 11 • 10-6 m/s (s. Abschn. 2.8.5), die unter der Grundwasseroberflache liegen und bei den en der aufzufahrende Bereich frei zuganglich sein soIl, muss das Grundwasser durch WasserhaltungsmaBnahmen yom Vortrieb ferngehalten werden. Darunter werden im Tunnelbau nicht nur WasserhaltungsmaBnahmen im engeren Sinn verstanden, sondern auch MaBnahmen wie: SchirmgewOlbe (Abschn. 17.8.3) Injektionen (Abschn. 17.8.4) Bodenvereisung (Abschn. 17.8.5) Vortrieb unter Luftdruck. Die Eigenschaften der Grundwasserleiter sind in den Abschn. 2.8.1 und 2.8.4 bis 2.8.6 beschrieben. Allgemeine Abgaben uber die WasserhaltungsmaBnahmen siehe Abschn. 11.2-11.4. Die moglichen Auswirkungen einer Grundwasserabsenkung auf die Gelandeoberflache und eine etwaige Bebauung sind in Abschn. 6.2.2 angesprochen. Die Wirkung einer WasserhaltungsmaBnahme hangt zunachst ab yom Untergrundaufbau und den Eigenschaften der Grundwasserleiter. Dabei lassen sich das nutzbare hydraulische Hohlraumvolumen, die Inhomogenitaten und die Anisotropie eines Grundwasserleiters durch die ublichen VorerkundungsmaBnahmen selten wirklich zutreffend ermitteln, sondern konnen nur in einem Langzeitversuch einigermaBen erfasst werden (MUHLENKAMP et al. 2010). Oft liegen zwei oder mehrere Grundwasserstockwerke mit unterschiedlichen hydraulischen Eigenschaften vor, die durch grundwasserstauende Zwischenschichten getrennt sind. Wenn die wasserstauenden Schichten k- Werte von 10-5 bis 10-7 m/s aufweisen oder faziell bzw. tektonisch bedingte Lucken (z. B. groBere sanderfullte Klufte) haben,
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so spricht man von halbdurchliissigen Grundwasserstauern, die einen Druckausgleich und langfristig auch einen Mengenausgleich zulassen (s. Abschn. 2.8.5). Ein solcher halbgespannter Grundwasserleiter gleicht sich verzogert dem freien Grundwasser an. Urn eine hydraulisch wirksame Trennung der Stockwerke zu gewahrleisten, muss die grundwasserstauende Zwischenschicht mindestens 2,5 m dick sein. In solchen Fallen kann bzw. muss das obere sandig-kiesige Quartarstockwerk mittels Schwerkraftabsenkung und das untere feinkornige Stockwerk uber Vakuumabsenkung entwassert werden. Bei den sog. Konbinationsbrunnen, d. S. Gravitationsbrunnen und Vakuumbrunnen in einer Rohrtour, ist fur beide Stockwerke nur eine Brunnenbohrung mit nur einer Filterrohrtour erforderlich (Abb. 17.14 und Abschn. 11.4). Die Wirksamkeit einer Wasserhaltungsma6nahme hangt weiterhin von der Anzahl der Brunnen, dem AbsenkmaB des Brunnenwasserspiegels, der Forderung der einzelnen Brunnen und der Vorlaufzeit ab (Abb. 17.15). Letztere betragt bei einer Schwerkraftabsenkung mehrere Wochen bis einige Monate. Das Abschatzen der Vorlaufszeit kann ggf. durch Auswertung des Entsandungsvorganges als Kurzpumpversuch erleichtert werden (MUHLENKAMP et al. 2010). Zur Entwasserung von Feinsandschichten mussen die Brunnen enger gesetzt und auf Vakuumbetrieb umgestellt werden konnen. Ein solcher bedarf einer wesentlich kurzeren Vorlaufzeit von nur einigen Wochen. Der Tunnelvortrieb sollte in dem Zeitfenster durchgefiihrt werden, das zwischen der Vorlaufs- bzw. Entwasserungszeit liegt und einem langerfristig zu starken Austrocknen des Gebirges. Letzteres fiihrt bei einem KiesSand-Boden zu einem voHigen Wegfall der scheinbaren Kohasion und der Boden wird roHig bzw. ein feinkorniger Boden neigt dann zu Schollenabbruchen an der arts brust, denen ggf. mit Ortsbrustankern und einem Teilflachenausbruch begegnet werden muss. Die Absenkwirkung einer Wasserhaltung muss sowohl in der Vorlaufzeit bis zum Erreichen des Absenkziels als auch wahrend der weiteren Betriebszeit der Anlage in engen Abstanden, in der Betriebszeit praktisch taglich, kontrolliert werden und die einzelnen Brunnen mussen ggf. mit einer Ausfall-Alarmeinrichtung ausgestattet werden. In der Winterzeit mussen die Brunnen-
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Gravitationsbrunnen
+
=
Tiefvakuumbrunnen
Kombibrunnen
Kies
Ton
Sand Ton
Absenkung nur im 1. GrundwasserStockwerk Absenkung nur im 2. GrundwasserStockwerk
Absenkung in beiden Grundwasser-Stockwerken
Abb. 17.14 Schematische Darstellung und Arbeitsweise der verschiedenen Brunnenarten (Firmenprospekt).
kopfe und das Leitungssystem auBerdem vor Frost geschiitzt werden. Die Oberwachung der Brunnen und Messstellen erfolgt heute vielfach vollelektronisch. Dabei werden permanent die Wasserstande der Brunnen und Messstellen, die Forderleistung der einzelnen Brunnen und die Gesamtforderung registriert (HEISSENBERGER et al. 2008). Ein Ausfall eines oder mehrerer Brunnen kann binnen weniger Stun den zu einem Anstieg des Grundwassers urn einige Meter fiih-
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Abb. 17.15 F6rderraten und Absenktrichter einer WasserhaltungsmaBnahme (nach FILLIBECK et al. 2005).
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489
17. 2 Aufgaben und Grenzen der ingenieurgeologischen Erkundung, Risikomanagement
(s. Abschn. 11.6). Besonders fUr Vakuumbrunnen stehen kaum geeignete rechnerische Modelle zur VerfUgung. In der Regel konnen diese Unwagbarkeiten nur durch die planmaBige Moglichkeit des Zwischensetzens von weiteren Brunnen oder von vornherein durch ein bewusstes ObermaB an der Gesamtinstallation beherrscht werden. In manchen Fallen kann das Grundwasser aufgrund des Untergrundaufbaus oder wasserrechtlicher Auflagen (MUHLENKAMP et al. 2010) bzw. zu groBer Brunnenabstande nieht vollstandig bis in eine sohlaufbruchsiehere Tiefe unter Aushubsohle abgesenkt werden. Besonders anf 5, s. Tab. 3.3) Struktur und Textur des Mikrogefiiges (Anisotropie), KorngroBe, Kornform, Kristallentwicklung, Verzahnung des Kornverbandes, Matrix Bindemittel (Kornbindung) und sein Raumausfiillungsgrad Gesteinsdruckfestigkeit und Elastizitatseigenschaften (Sprodigkeit, Zahigkeit) Gesteinswechsel (hart, weich) Trennflachengefiige, Kluftabstand und -ausbildung (Offnungsweite, Kluftfiillung) Primarspannungszustand Wasserempfindlichkeit und Anteil quelWihiger Tonminerale Erweichbarkeit, Verklebungspotenzial. Der Mineralbestand, das Mikrogefiige und das Bindemittel werden im Diinnschliff ermittelt und ihre VerschleiBscharfe nach der Mineralharte eingestuft. Ais hart und verschleiBscharf gelten Minerale, die harter sind als Stahl (Harte> 5). Dazu gehoren auBer Quarz, frische Feldspate (Plagioklas, Orthoklas, Mikroklin), Albit, Augit, Hornblende, Olivin, Granat, Epidot, Magnetit, Hamatit und Pyrit. Die Volumenprozente dieser als verschleiBscharf geltenden Minerale werden
17
496
17 Tunnelbau
mit einem Faktor analog ihrer Harte nach ROSSIVAL multipliziert (s. Tab. 3.3) und ergeben den sog. aquivalenten Quarzgehalt (AQu). Die Gesteinsdruckfestigkeit ist yom Mineralbestand, dem MikrogefUge und der Kornbindung abhangig. Eine Klassifikation der Gesteine nach der Druckfestigkeit ist zwar kein alleiniger MaBstab fiir die Schneidbarkeit von Gesteinen, doch gibt es verschiedene Korrelationen der Gesteinsdruckfestigkeit mit der Standzeit der Bohrkronen und der Bohrgeschwindigkeit sowie auch fUr den SchneidwerkzeugverschleiB bei mechanischen Gewinnungsverfahren. Die Bohrgeschwindigkeit und Standzeit sind auBerdem yom MikrogefUge (vernetzte GefUge mit hoher Verzahnung) und damit auch von den Elastizitatseigenschaften der Gesteine abhangig. Bei den Elastizitatseigenschaften wird hierbei meist das Verhaltnis qjqz gemaB Abschn. 2.6.8 verwendet. Bei mittleren und hohen Druckfestigkeiten fUhrt eine hohe Verformbarkeit (Zahigkeit) zu einem Abfall der Bohrgeschwindigkeit. Bei der Abschatzung der Bohrgeschwindigkeit und der Schneidleistung von Vortriebsmaschinen spielt die Abrasivitat der Gesteine eine wesentliehe Rolle. Sie bedingt nieht nur den WerkzeugverschleiB, sondern beeinflusst die gesamte Bohrleistung (abgestumpfte Schneidwerkzeuge, Werkzeugwechsel) und damit in hohem MaBe die Vortriebskosten. Die wesentli-
chen Einflussfaktoren fUr die Abrasivitat sind die mineralogisch -petrographische Zusammensetzung des Gesteins sowie einige geotechnische Kennwerte. Dies gilt nicht nur fUr Festgesteine, sondern auch fiir grobkornige Lockergesteine, die ebenfalls einen merkbaren Einfluss auf den VerschleiB der Abbauwerkzeuge haben konnen. Fiir Festgesteine sind seit den 1970er Jahren verschiedene Testverfahren mit Priifstiften entwiekelt worden (HOLTZRAUSER & NILSEN 2006; PLINNINGER 2008; PLINNINGER & REsTNER 2008; BECKRAUS & TRURO 2008; TRURO & KASLING 2009). Am haufigsten Anwendung findet in Mitteleuropa der CAI- bzw. Cerchar-Abrasivitats-Test. Bei diesem Test wird ein Priifstift bei konstanter Auflast iiber 10 mm einer bruchrauen Gesteinsoberflache bewegt und seine kegelstumpffOrmige Abnutzung ausgewertet (Abb. 17.19 und MAIDL et al. 2001; PLINNINGER et al. 2002,2005; KASLING et al. 2007).Vergleichswerte fUr die Abrasivitat sind auf Tab. 17.3 zusammengestellt. Ais weiteren Gesteinsversuch wird neuerdings auch der LCPC-Abrasivitatsversuch an gebrochenen Festgesteinsproben der Kornung 4 bis 6,3 mm vorgenommen. Der LAK-Wert gibt den VerschleiB in g/t an (s. Lockergesteinstest). TRURO & KASLING (2009) bringen Korrelationen CAI-Index/AQu sowie LAK-Wert/CAI-Index und eine entsprechende Klassifikationstabelle (Tab. 17.3).
Ritzspur des PrGfstiftes auf einem Quarzsandstein
Abb. 17.19 Prinzip des CercharGeriits, die entsprechenden Ritzspuren und Ablesen der Prufstiftabnutzung (nach Kii.SLlNG et al. 2007).
1, 3 Schraubstock 2 Handgriffl -kurbel 4 PrGfstift 5 PrGfstiftfGhrung 6 Gewicht
Ansicht
Aufsicht
Ablesung der PrGfstiftabnutzung
497
17. 2 Aufgaben und Grenzen der ingenieurgeologischen Erkundung, Risikomanagement
Tabelle 17.3 Klassifikation der CAI-Werte und der LCPC-Abrasivitatskoeffizienten LAK fOr verschiedene Gesteinsarten (nach BECKHAus & THURO 2008). AbrasivitiitsBezeichnung
Beispiele fUr Festgesteine
50-100
0,3-0,5
kaum abrasiv
Ton-Schluffstein, Mergel
100-250
0,5-1,0
schwach abrasiv
Tonschiefer, Sandstein (feink6rnig, schwach tonig gebunden), Kalkstein bzw. Oolomitstein (karbona tisch gebunden)
250-500
1,0-2,0
abrasiv
verkieselter Kalk- bzw. Oolomitstein, Sandstein, Phyllit
500-1250
2,0-4,0
stark abrasiv (sehr abrasiv)
Quarzsandstein, Porphyr, Andesi!, Basalt, Glimmerschiefer
1250-2000
4,0-6,0
extrem abrasiv
(Gang-)Quarz, Quarzit, Granit, Oiorit, Syenit, Gneis, Eklogit, Amphibolit
Daneben kommen aber nach wie vor geotechnisch-mineralogische Methoden mit den klassischen Parametern zum Einsatz, wie Gesteinsdruckfestigkeit, Spaltzugfestigkeit, MineralkorngroBe und dem aquivalenten Quarzgehalt (AQu). Der aquivalente Quarzgehalt ist der Anteil an verschleiBscharfen Hartmineralen (> Harte 5,5), bezogen auf Quarz nach der ROSSIvAL-Skala (Tab. 3.3). Am haufigsten anzutreffen ist hier der Abrasivitatsbeiwert nach SCHIMAZEK (Tab. 17.4). F SCHIM
d·v·q z = ___ 100
d [mm] = mittlerer Korndurchmesser des Quarzanteils v [%] = Vol.-% an Hartmineralen, bezogen auf Quarz (s. Tab. 3.3) qz [MPa] = Spaltzugfestigkeit (s. Abschn. 2.6.8) Eine einfache Beziehung ist auch der sog. Rock Abrasivity Index (RAI), der nur den prozentualen Anteil an Hartmineralen und die einaxiale Gesteinsdruckfestigkeit beriicksichtigt: RAI= v·qu 100
v = Vol.-% an Hartmineralen, bezogen auf Quarz (s. Tab. 3.3) qu = einaxiale Gesteinsdruckfestigkeit (MN/m 2).
Der 2002 eingefiihrte RAI -Wert findet besonders Verwendung als Kennwert fiir den VerschleiB von Bohrwerkzeugen bei Sprengvortrieben und auch bei GroBbohrpfahlen. AulSer der Einstufung nach Tabelle 17.4 bringt PLINNINGER (2010) Vergleichsdiagramme mit dem Cerchar-Abrasivitats-Index sowie mit der Standzeit von Stiftbohrkronen (m/Krone). Obwohl der Sprengvortrieb hinsichtlich der Bohrbarkeit recht anpassungsfahig ist, bedeuten diese Angaben einen maBgeblichen Beitrag zur Kalkulation, da die Vortriebsleistung wesentlich von der Bohrleistung und dem VerschleilS der Bohrgerate abhangt und damit auf die gesamten Tabelle 17.4 Einstufung der Abrasivitat nach dem Abrasivitatsbeiwert von SCHIMAZEK & KNATZ (1976) bzw. dem RAI-Index (a us PUNNINGER 2010). FSCH'M
RAI-Inde)(
Abrasivitatsbeurteilung
< 0,01
3,0
> 120
hoch bis ext rem abrasiv
17
498
17 Tunnelbau
Ausbruchskosten durchschlagt. Bei harten Gesteinen mit hohen Quarzgehalten kommt es zu einer verstarkten Abnutzung der Hartmetallstifte von Stiftbohrkronen. Auch bei weniger harten Gesteinen wird durch den quarzhaltigen Bohrschmant der Kronendurchmesser abgeschliffen. In Konglomeraten konnen harte Gerolle zu Verklemmungen der Bohrkronen und damit zu Leistungsminderungen bis hin zu einem Gestangebruch fiihren (THURO 1993; THURO & PLINNINGER 1997). Bei einem moglichen Einsatz von Schildmaschinen ist auch die Abrasivitlit von Lockergesteinen zu bewerten. Fiir Lockergesteine lagen bis vor einigen Jahren nur wenig Ansatze zur Beschreibung des Abrasivitat vor, ausgehend von Angaben iiber die Lagerungsdichte, die KorngroBe und -form sowie dem Gehalt an abrasiven Mineralkomponenten. HOLTZHAUSER & NILSEN (2006) sowie THURO et al. (2006) und BECKHAUS & THURO (2008) beschreiben auch Testverfahren fUr Lockergesteine. Der LCPC-Abrasionskoeffizient entspricht dem Massenverlust eines rotierenden Metallfliigels in einem Behalter mit 500 g Material der Kornung 4-6,3 mm. Der entsprechende LAK -Wert kann zwischen 0 und 2000 g/t liegen (Abb. 17.20). Die Grenzen und verbalen
.' (emk Komgem,sehe I mil qU9rz,t Stem· Reme,Ou9fZ Komponent"n IfJfltJrochen)
1750
~
";:' ~
:5 C aJ ;;;
==8 ~
'" !§
1500
1000 750
0,5
oder
oder
Oder
oder
vollstandig Irocken
feucht
Wasser unter niedrigem Druck
schwierige Gebirgswasserprobleme
10
7
4
0
25-1251/min
sehr gunstig
giinstig
maSig gul
ungiinstlg
sehr ungiinslig
Tunnel (s. Tab. 7.8)
0
-2
-5
- 10
-12
Griindungen
0
-2
-7
- 15
- 25
Boschungen
0
-5
-25
- 50
- 60
Streich- und Fallrichtung der KlOfte
I,
> 1251/min
kein Zufluss
17
17 Tunnelbau
506
1
Tabelle 17.7 (Fortsetzung) Bestimmung der Gebirgsklasse l:1 ~
81 - 100
- I, + ... + 16
Klasse sehr guter Fels
Beschreibung
61 - 80
41 - 60
21 - 40
< 20
II
III
IV
V
guter Fels
miiBig guter Fels
schlechter Fels
sehr schlechter Fels
Die Einzelnen Wertungszahlen fUr das Q-System bedeuten:
Verwitterungsgraden und ergibt zahlenmaGige GSI -Werte von 10-100. Die Einschatzung und Bewertung des TrennflachengefUges ist dabei sehr subjektiv (Abb. 17.22).
0< 1
sehr schlechtes Gebirge
0 - 4- 10
miiBig gules Gebirge
0 - 10- 100
gutes Gebirge
173.2.4 Der Rock Mas Index
0> 100
sehr gutes Gebirge.
Ein weiteres Klassifizierungssystem ist der RMIndex (Rock Mass Index) von PALMSTROM (1995). Als EingangsgroBen werden dafiir die (kleinste) einaxiale Gesteinsdruckfestigkeit, eine Kennziffer fUr die Eigenschaften der Trennflachen (Erstreckung und Durchtrennung, Oberflachenausbildung. Belage, Trennflachenfiillung) und die KluftkorpergroGe verwendet. Fiir den Bedarfsfall beschreibt SOMMER (2009) das System und seine Anwendungsmoglichkeiten.
Die nachstehende Korrelation bietet eine vereinfachende Methode zu Festlegung der Gebirgsqualitat Q anhand der Kompressionswellengeschwindigkeit vp von Schallwellensonden (Bohrlochseismik) gemaG Abschn. 4.8.2: v. (m/s) 1500 2500 3500 4500 5500 6500
o
0,01
0,1
10
100
1000
ngth 17.3.2.3 Der Geological1St Strength Index
17.3.2.5 173.2 5 Anw Anwendung ndung der de interna lOt n tlon Ilen tiona n Systeme Sy teme in 10 Deutschland Deutschl nd
Eine weitere Gebirgsklassifikation, der GSI-Faktor (Geological Strength Index) von HOECK (1999), basiert auf rein geologischen Faktoren wie Kliiftigkeit (Gebirgszerbrechung) und fiinf
Abgesehen von der Problematik, die einzelnen Parameter zahlenmaGig festzulegen, bestehen in Deutschland starke Einwendungen hinsichtlich derartiger Indexwerte anhand von Bohrauf-
Tabelle 17.8 Einfluss der Raumstellung der Trennflachen auf die RMR-Bewertungszahlen bei Tunneln (s. d. Tab. 17.7). Einfluss der Raumstellung (Streichen und Fallen) der KlUfte im Tunnelbau
----
Streichen parallel zur Tunnelachse
Streichen normal zur Tunnelachse Fallen in Vortriebsrichtung
Fallen gegen Vortriebsrichtung
sehr giinstig
rniiBig gut
giinstig
ungiinstig
Fallwinkel
0 0 _20 0
f3:
unabhiingig vorn Streichen
sehr ungiinstig
rniiBiggut
ungiinstig
507
17.3 Gebirgsklassifizierung
schlussen. Trotzdem sind das RMR-, das Q- und das GSI-System international weit verbreitet und der Anwender bewegt sich in anerkannten Bahnen bzw. Standards. Die Systeme werden heute auch fur die Abschatzung des Gebirgsdrucks und des Verformungsverhaltens verwendet. Die Ableitung von
II)
100000
0=0
Q)
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(9 II)
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I
'00
60
40
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gutes Gebuge
,0
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I ~r.:.11 I I
I
maRogoo GobOrgo 1
20
druckhOIl
ONORM B 2203
I
.cI1Ioch,.. GeDorge
0,001
I
gobllich
MCI1 bnlchIg
81
A2
I I
standlee.1
A,
Abb. 17.23 Die Gebirgsklassen nach ONORM im Vergleich zu den Bewertungszahlen des Q-Systems und des RMR-Systems (Erfahrungswerte nach Firmenprospekt).
allen Dingen an den beiden ersten Schritten (Gebirgsart, Gebirgsverhaltenstypen) beteiligt. Das Vorgehen nach der OGG-Richtlinie entspricht etwa auch dem generellen Ablauf der Untersuchungs- und Projektierungsarbeiten in der Schweiz nach dem SIA-Normenwerk (s. d. EHRBAR 2004): Definition des Baugrundmodells mittels geologischer Erkundung Beschreibung des Gebirges gemaB der Norm SIA 199 Beurteilung des Gebirges anhand projektspezifischer Gefahrdungsbilder und Definition der baulichen MaBnahmen in Form von: Festlegung der Profilgestaltung Vortriebsweise (Losen des Gebirges) Ausbruchsicherung, Katalog der BauhilfsmaBnahmen Bauablauf im Querschnitt und in Langsrichtung. Die endgiiltige Gebirgsklassifizierung erfolgt ebenfalls nach dem Aufwand fUr den Vortrieb, angefangen von der Ausbruchsart (Teilquerschnitte, Reihenfolge) iiber die Abbaubarkeit des Gebirges und die Sicherungsklasse (Behinderung des Vortriebs).
17.3.4 Darstellung und Wertung der Gebirgstypen bzw. -klassen Die hier diskutierten Gebirgsklassifizierungen beziehen sich in erster Linie auf den mechanischen Vortrieb und konventionellen Sprengvor-
trieb. Beim Schildvortrieb und dem Einsatz von Vollschnittmaschinen gelten andere Kriterien (LAUFFER 1995, darin Lit. und Abschn. 17.6.4.4). 1m Rahmen der Begutachtung eines Projektes werden die Gebirgstypen und ihre Verteilung zusammen mit den iibrigen ingenieurgeologischgeotechnischen Indikatoren in einem Llingsschnitt mit Matrix dargestellt und massenmaBig in die Ausschreibung iibernommen, wobei eine Differenzierung in wahrscheinlich und moglich zu erwartende Gebirgstypen bzw. in Haupt- und Nebentypen vorgenommen werden kann. Die Indikatoren der Matrix stellen eine Kurzbeschreibung des Gebirgszustandes und der Reaktionen beim Tunnelausbruch dar und dienen sowohl fiir tunnelbautechnische als auch fUr wasserwirtschaftlich-okologische Entscheidungen. Bei der BaudurchfUhrung erfolgt vor Ort gemeinsam eine Uberpriifung der Gebirgsklassifizierung und notigenfalls eine Umklassifizierung. Durch geotechnische Messungen wird kontrolliert, ob bei den, der Gebirgsklasse entsprechenden Stiitzmitteln eine Stabilisierung der Gebirgsdeformationen eintritt. Nach Abschluss der Arbeiten werden dann die prognostizierten und die angetroffenen Gebirgsklassen gegeniibergestellt, wobei nicht selten Differenzen auftreten. In der Fachwelt werden heute recht unterschiedliche Ansichten iiber die Anwendung der Gebirgsklassen bei der Entwurfsbearbeitung fUr Tunnelprojekte vertreten. Teilweise sind die Gebirgsklassen alleinige Planungsgrundlage und teilweise kommt die Gebirgsklassifizierung nur in den anfanglichen Projektphasen und fUr die Festlegung und Ausschreibung der Ausbruchsund Sicherungsarbeiten zur Anwendung. Besser ist es, die Gebirgsklassen werden in Kombination
17.4 Ingenieurgeologische Baubetreuung
mit modernen Vorgehensweisen fUr einen sicheren und wirtschaftlichen Entwurf eingesetzt, namlich der Erstellung eines moglichst realistischen Gebirgsmodells auf der Grundlage der Gebirgsklassifizierung und darauf aufbauenden numerischen Berechnungen mit einer baubegleitenden Dberpriifung der angenommenen Kennwerte und der Berechnungsergebnisse (s. Abschn. 17.3.1, 17.5.4 und 17.5.5). SOMMER (2009) bringt eine ausfUhrliche Wertung der verschiedenen internationalen Klassifizierungssysteme gegeniiber den modernen Entwurfsmethoden. Diese gehen mehr oder weniger allein von der Erstellung eines moglichst realitatsnahen Gebirgsmodells, der Ermittlung bzw. Abschatzung der notigen Kennziffern und von FE-Berechnungen fiir eine Optimierung des Vortriebs und der Sicherungsmittel aus.
17.4 I ngen ieu rgeologische Baubetreuung Wenn das halbempirische Sicherheitskonzept der konventionellen Tunnelbauweisen (s. Abschn. 17.5.4) auch bei schwierigen Gebirgsverhaltnissen funktionieren solI, darf es nicht allein auf geotechnischen Prognosen aufbauen, sondern die Richtigkeit der geologischen und geotechnischen Vorgaben aus der Erkundungsphase muss durch eine systematische ingenieurgeologische Tunnelkartierung kontrolliert, dokumentiert und fortgeschrieben werden (s. a. ONORM B 2203-1). Bei Abweichungen von der Prognose miissen das Gebirgsmodell einschlieBlich der Gebirgskennwerte sowie mogliche Bruchmechanismen iiberpriift und im Planungsteam diskutiert werden. Ein erfahrener Ingenieurgeologe muss dabei in der Lage sein, vor Ort oder anhand einer guten Ortsbrustaufnahme die maBgebenden Gebirgsparameter und die Risiken einzuschatzen. Die ingenieurgeologische Tunnelkartierung dient damit nicht nur dem Zweck, die angetroffenen geologischen Verhaltnisse zu dokumentieren, sondern auch kurzfristig Hinweise auf das zu erwartende Gebirgsverhalten zu geben sowie bei der Gebirgsklassifizierung unterstiitzend mitzuwirken. Die ingenieurgeologische Tunnelkartierung ist zusammen mit den geotechnischen Mes-
511
sungen nach Abschn. 17.5.3 ein wesentliches Kriterium zur Beurteilung der Standsicherheit und dem Friiherkennen von Gefahrensituationen sowie auch ein Dokument im Hinblick auf Nachtragsforderungen aufgrund geanderter Geologie bzw. geanderten Gebirgsverhaltens (s. Abschn. 17.4.2). In den Empfehlungen des Deutschen Ausschuss fiir Unterirdisches Bauen (DAUB) zur Planung von Tunnelbauwerken (2003) wird vorgeschlagen, die unabhangigen Gutachter wahrend der Planungs- und Ausfiihrungsphase durchgehend zu beteiligen, urn die Kontinuitat sicherzustellen (s. NAUMANN & BREM 2004). Nach dem osterreichischen Geologenerlass solI dagegen die laufende Dokumentation im Tunnelvortrieb wegen des Vier-Augen-Prinzips durch einen bisher mit dem Projekt nicht befassten Geologen durchgefUhrt werden (SCHWING HAMMER 1997).
17.4.1 Ingenieurgeologischgeotechnische Vortriebsdokumentation Eine Vortriebsdokumentation besteht aus zwei Teilen, der Tunnelkartierung und den taglichen Verformungsmessungen gemaB Abschn. 17.5.3. Der im Einzelfall vorzusehende Aufwand fiir die ingenieurgeologische Tunnelkartierung ist vom Gebirge abhangig, und zwar der Schichtenfolge, der Raumstellung der Schichten, dem Verwitterungsgrad, der tektonischen Beanspruchung des Gebirges und anderen geologischen Besonderheiten. In einem tektonisch durchschnittlich stark beanspruchten Gebirge ist eine Ortsbrustaufnahme je Tag, das heiBt bei drei bis vier Abschlagen etwa alle vier bis sechs Vortriebsmeter notig und angemessen. In tektonisch starker gestorten Abschnitten verkiirzt sich der Abstand der Ortsbrustaufnahmen dabei von selbst auf 2 bis 4 m und weniger. Dies bedeutet, dass von einem Ingenieurgeologen in der Tagschicht je nach Schwierigkeitsgrad zwei bis drei Vortriebe betreut werden konnen. Die aus vermeintlich wirtschaftlichen Griinden haufig zu groBen Abstande zwischen den einzelnen Ortsbrustaufnahmen haben schon oft teuere Auswirkungen gehabt.
7
17 Tunnelbau
512
Zu einer systematischen ingenieurgeologischen Tunnelkartierung und Vortriebsberatung gehoren folgende Punkte: Eine moglichst luckenlose Aufnahme der generellen Schichtenfolge, der Schichtausbildung und des TrennflachengefUges nach einem dem Gebirge angepassten Schema. Darstellung der LagerungsverhaItnisse und der Raumstellung der maBgeblichen Trennflachen (Mittel- und GroBklufte, Verwerfungs- und Storungszonen). Bei Bedarf, d. h. bei ungunstiger Raumstellung maBgeblicher Trennflachen, wird auch die seitliche Laibung des Abschlags mit aufgenommen und dargestellt. Schwachstellen des Gebirges infolge tektonischer Beanspruchung sowie andere festigkeitsmindernde Faktoren (z. B. tonige Kluftbelage bes. bei Verdacht auf quellfahige Tonminerale) oder geologische Besonderheiten mussen rechtzeitig erkannt und mitgeteilt werden, ebenso Hinweise auf verstarkte WasserfUhrung und andere Gefahrdungen vor Ort. International wird fUr die Ortsbrustaufnahme teilweise das RMR-System verwendet (s. Abschn.
17.3.2), indem die oben genannten Einzelangaben einer Ortsbrustaufnahme in das RMR-Wertesystem ubertragen werden (s. DAE GAP & SCHWARZBOECK 2004; GUSENBAUER 2009). Ein meist zu wenig beachtetes Problem bei der Einmessung der Trennflachen ist die magnetische Missweisung des Kompasses vor Ort infolge der Stahleinbauten (Bogen, Bewehrungsmatten, Anker). Die Messdaten muss en deshalb immer wieder mit der Achsrichtung uberpruft werden. Die Ortsbrustaufnahmen werden heute zunehmend durch Aufnahmen mit einer Digitalkamera bzw. mit Hilfe von digitalen stereoskopis chen Bilderfassungssystemen sowie durch interaktive Bildanalyseverfahren untersturzt bzw. ersetzt. Grundbedingung sollte sein, dass lithologische Grenzen, Bereiche unterschiedlicher Verwitterung und Trennflachenspuren in cm-Genauigkeit maBstablich erfasst werden (Abb. 17.24). Tunnel-Monitoring-Programme ermoglichen eine flexible Verknupfung, Analyse und projektspezifische Darstellung zahlreicher Daten, die bei einem Tunnelvortrieb anfallen. Die Bilder konnen auf dem Monitor sofort bewertet
Ortsbrustbild (Aufnahme) Ost
West
"
.
-
-', ~"r ~
Ortsbrustbild (interpretiert) Ost
Abb. 17.24 Digitalfoto und nachgearbeitete Interpretation einer Ortsbrustaufnahme (GRAF 2000).
3b
-
Jo. _ _ _ _ _ K1
Kl
K1
256f78 2501t!O
17.4 Ingenieurgeologische Baubetreuung
werden. In den darauf folgenden Bearbeitungsschritten lassen sich die Aufnahmen mittels gangiger Bildbearbeitungs- bzw. CAD-Programme beliebig bearbeiten und mit der zeichnerischen Darstellung der Ortsbrustaufnahme kombiniereno Die grafische Darstellung einschlieBlich der digitalen Fotodokumentation stehen kurzfristig zur Verfiigung und konnen in Datensystemen und -netzen zeitnah dupliziert und mittels Datenkommunikationsnetzen iibermittelt sowie in Datenbanken gespeichert werden (SCHUBERT et al. 2000; FASCHING et al. 2001; FURTMULLER et al. 2004; SCHOLZ et al. 2005). Eine gute fotogrammetrische Datenerfassung der Ortsbrust ist der iiblichen Aufnahmetechnik mit dem Kompass iiberlegen. Nicht fotografisch ermittelt werden kann in der Regel die Ausbildung von Langskluftflachen und die Art der Kluftfiillungen. Nachteil der digitalen Bildtechnik ist, dass das Ausgangsbild beliebigen Verwandlungen und Retuschen unterzogen werden kann und damit kein verbindliches Dokument mehr darstellt. Die Ergebnisse der Tunnelkartierung werden im Bedarfsfall zu einer umfassenden ingenieurgeologisch-geotechnischen Vortriebsdokumentation ausgebaut: Ortsbrustaufnahmen werden fortlaufend dokumentiert und iibersichtlich dargestellt, wobei besonders auf die tektonischen Strukturen zu achten ist, die nicht nur als Einzelelement gesehen werden diirfen, sondern zu einem tektonischen Modell zusammengeftigt werden miissen. Umfangreichere Einzelangaben konnen in sog. Abschlagsberichten zusammengefasst werden, mit einer verbalen Beschreibung der Beobachtungen beim Abschlag, einer eingehenden Gebirgsbeschreibung, Ortsbrustskizzen und Fotos. Eine standige Kontrolle und iibersichtliche Darstellung der Grundwasserstande und gegebenenfalls auch von Quellschiittungen und der Wasserfiihrung von Bachlaufen in der Umgebung des Tunnels. 1m Bedarfsfall muss die ingenieurgeologische Tunnelaufnahme und das Verformungsverhalten von Ausbau und Gebirge (auch Oberflachensetzungen, Extensometermessungen u. a.) regelmaBig zusammengestellt und interpretiert werden.
513
Die Modellvorstellung iiber den Gebirgsbau und tiber das Tragverhalten des Gebirges beim Vortrieb ist standig fortzuschreiben und auf Abweichungen von der Prognose zu iiberpriifen. Dabei muss besonders auf das Einstreichen von spitzwinklig zur Achse verlaufenden GroBkliiften oder Verwerfungen geachtet werden und auch auf Strukturen, die in der Folge den Tunnel in engen Abstanden begleiten. Solche Flachen konnen die Spannungsverteilung im Gebirge maBgeblich beeinflussen und zu Lastkonzentrationen am Ausbruchsrand und damit zu erhohten Verformungen fiihren (NAUMANN & PRINZ 1988). Bei unvorhergesehenen Ereignissen (groBe Verformungen, Nachbriiche) sollte unverziiglich eine griindliche Dokumentation der Gebirgsverhaltnisse und der Situation vor Ort, einschlieBlich einer Rissekartierung, erstellt werden. Die heutigen CAD-Programme ermoglichen eine dreidimensionale Darstellung nicht nur der Tunneldokumentation, sondern auch eine 3D-Modelldarstellung aller Erkundungsdaten, angefangen von den Bohrergebnissen bis zu den Messergebnissen im Tunnel und an der Gelandeoberflache (FURTMULLER & MARSCHALLINGER 2003; BERGLER 2009; GUSENBAUER 2009). Inhalte einer solchen Datenbank, die dann allen Beteiligten zur Verfiigung stehen, sind u. a. die Ortsbrustaufnahmen einschlieBlich Ortsbrustfotos und den klassifizierbaren Daten des Gebirges (Gesteinsfestigkeit, Verwitterungsgrad, Trennflachenbeschreibung, Storungszonen, Zerlegungsgrad, Verbandsfestigkeit), die Wasserzutrittsmengen sowie auch nichtklassifizierbare Daten, die in Textfeldern verbal beschrieben werden konnen. Dazu kommen dann die Vortriebsdaten (auch Ausbaufestlegungen) und die Ergebnisse der Deformationsmessungen. Eine solche Datenbank ermoglicht eine zeitnahe Auswertung und Interpretation der Daten im Hinblick auf die Sicherheit des Vortriebs (VERGREINER et al. 2007). Ohne eine systematische ingenieurgeologische Begleitung der Bauausfiihrung in Form von Tunnelkartierung und Interpretation der Ergebnisse in einem Soll-1st-Vergleich ist Tunnelbau in schwierigem Gebirge mit erheblichem Risiko verbunden. Das Erkennen der kausalen Zusam-
7
514
menhange zwischen Gebirgsbeschaffenheit und Verformungsverhalten beim Vortrieb schafft die Grundlage fUr eine dem jeweiligen Problem angemessene Reaktion. Die Tatsache abklingender oder abgeklungener Verformungen allein ermoglicht nicht immer eine Aussage iiber die tatsachliche Sicherheitsmarge, mit der ja trotz allem noch unerkannte und nicht vorhersehbare UnregelmaGigkeiten abgedeckt werden miissen. Die Erfahrung hat auch gezeigt, dass die geologischen bzw. geotechnischen und vortriebsbedingten Zusammenhange oft so vielgestaltig sind, dass aus einem einzelnen Ereignis nicht immer wirklichkeitsnahe, allgemeingiiltige kausale Zusammenhange iiber den Verformungs- bzw. Versagensmechanismus abgeleitet werden konnen. Haufig bedarf es des Dberblicks eines kompetenten Fachmannes, urn iiber vergleichbare Fallstudien von anderer Stelle die prinzipiellen Zusammenhange zu erkennen und Arbeitshypothesen aufzustellen. Notigenfalls miissen auch zusatzliche ErkundungsmaGnahmen bzw. Messungen vorgeschlagen werden.
17.4.2 Ingenieurgeologisches Nachtragsmanagement Die Bedeutung einer ingenieurgeologischen Vortriebsdokumentation wird nicht nur von den ausfiihrenden Firmen oft unterschatzt und ist nachtraglich meist nicht mehr beizubringen. Dabei werden gerade im Tunnelbau, in dem der Wettbewerb in der Regel sehr grog ist, von den Beteiligten haufig Risiken eingegangen, die im Nachhinein nur mit zusatzlichem Aufwand zu beherrschen sind und nicht selten zu Streitigkeiten fUhren. Eine Eingrenzung dieses Risikopotenzials und eine spatere Beweisfiihrung sind in der Regel nur anhand einer umfassenden Vortriebsdokumentation moglich, in der die vorgegebenen und die angetroffenen Gebirgsverhaltnisse verglichen und den gemessenen Verformungen sowie dem Sicherungsaufwand gegeniibergestellt werden. Das Gebirge als Baugrund und Baustoff ist grundsatzlich dem Risikobereich des Auftraggebers zuzurechnen. Wenn beim Tunnelvortrieb Verhaltnisse angetroffen werden, die aus den Ausschreibungsunterlagen nicht erkennbar waren
17 Tunnelbau
oder nicht vorhergesehen werden konnten und welche die Bauausfiihrung erschweren oder verteuern, so ist der Unternehmer berechtigt, yom Bauherrn eine Vergiitung seiner Mehraufwendungen zu verlangen. Dabei ist zu unterscheiden zwischen Abweichungen gegeniiber den prognostizierten Gebirgs- und Grundwasserverhaltnissen, dem so genannten Baugrundrisiko, und nicht vorhersehbaren Reaktionen des Gebirges beim Tunnelvortrieb, dem so genannten Systemrisiko oder ggf. auch Setzungsrisiko. Ausgangspunkt fiir etwaige Abweichungen sind die Ergebnisse der ingenieurgeologischen und geotechnischen Voruntersuchungen. Sie waren entweder den Ausschreibungsunterlagen beigegeben oder konnten von den Bietern eingesehen werden. Dariiber hinaus ist es Aufgabe des Planers, das erwartete tunnelbautechnische Verhalten des Gebirges in den technischen Entwurf und in die Leistungsbeschreibung einzuarbeiten. Nach Moglichkeit sollte es fiir den Bieter nachvollziehbar sein, wie der Planer die Ergebnisse der Voruntersuchungen in der Planung beriicksichtigt hat und welche Annahmen iiber das zu erwartete Gebirgsverhalten der Ausschreibung zugrunde liegen. Anderseits darf ein Bieter gemaG seinen Priifungs- und Bedenkenhinweisptlichten erkennbar fehler- oder liickenhafte bzw. widerspriichliche Ausschreibungsunterlagen nicht einfach hinnehmen, sondern muss daraus sich ergebende Zweifelsfragen vor Abgabe des Angebots klaren (sog. unechtes Baugrundrisiko). Auch nach Auftragsvergabe hat der Auftragnehmer (AN) alles zu tun, urn den Projekterfolg sicherzustellen. Dazu gehOren auch die iiblichen Priif-, Hinweis-, Informations- und Warnptlichten bzw. Behinderungsmitteilungen. Der AN muss auch jederzeit belegen konnen, wie er im Einzelfall gearbeitet hat bzw. wie er seinen Ptlichten nachgekommen ist. Dazu gehort u. a. eine entsprechende Dokumentation der aufgetretenen Probleme, der daraus resultierenden Umstellungen und Zusatzleistungen einschlieGlich der Auswirkungen auf die Bauzeit (s. Abschn. 17.2.2). Nach der geltenden Rechtsauffassung (VOB, Teil A, Allgemeine Bestimmungen fiir die Vergabe von Bauleistungen) hat der Auftraggeber bzw. sein Beauftragter aIle Untergrund- bzw. Gebirgsverhaltnisse, welche die Errichtung eines Untertagebauvorhabens maGgeblich beeintlussen konnen, soweit zu erkunden und zu beschreiben,
17.4 Ingenieurgeologische Baubetreuung
dass dies von allen Bietern im gleichen Sinne verstanden wird und die Erstellung von vergleichbaren Angeboten ermoglicht. Dem Auftragnehmer darf kein ungewohnliches Wagnis aufgeburdet werden fUr Umstande, auf die er keinen Einfluss hat und die er nicht im Voraus abschatzen kann (VOB, A § 9). Andererseits bilden Abweiehungen von den geologischen und hydrogeologischen Vorgaben allein noch keine Anspruchsgrundlage auf eine Mehrkostenvergutung, sondern nur, wenn belegt werden kann, dass die Abweichung auch bei Einsatz aller im Vertrag geregelten technischen Moglichkeiten zu einer Behinderung und im Weiteren zu unvermeidbaren Mehrkosten gefUhrt hat (HAID & MAIDL 2007). AuBer den Kosten fUr die direkte Bewaltigung des eingetretenen Schadens stehen dabei auch Kosten fUr die Umstellung der Vortriebsarbeiten und fUr eine Bauzeitverlangerung zur Diskussion. Wenn Schiiden am Ausbau oder sonst im Tunnel bzw. im Gelande auftreten, deren Ursachen strittig sind, so wird zunachst nach den allgemeinen Beweisregeln bzw. der sog. Selektionsmethode vorgegangen. Danach wird zunachst anhand aller verfUgbaren Unterlagen uberpruft, ob die erbrachte Leistung den allgemein anerkannten Regeln der Technik entspricht und in vollem vertraglichem Umfang erbracht worden ist oder ob irgendwelche Herstellungsfehler vorliegen (auch sog. 5-M-Methode nach ENGLERT genannt: Mensch, Material, Methode, Maschine und dem Medium Baugrund). Dabei gilt in der Regel der widerlegbare Grundsatz, namlich dass eine den Regeln der Technik entsprechende Dokumentation der einzelnen Arbeitsvorgange ein ausreiehender Beweis dafUr ist, dass auch die AusfUhrung entsprechend der Ausschreibung bzw. nach dem Stand und den Regeln der Technik erfolgte. Eine solche Dokumentation des Vortriebs und der Arbeitsablaufe ist daher immer auch im Interesse des Auftragnehmers. Liefert die Selektionsmethode keine Auffalligkeiten, so sind die Ursachen im Gebirge zu suchen. Hier ist der Ingenieurgeologe gefordert, wesentlich zur Losung der Problematik beizutragen. Eine sorgfaltige ingenieurgeologische Tunnelkartierung gemaB Abschn. 1704.1 ist dabei nieht nur Dokument fUr die Festlegung der Ausbruchsklassen und der SieherungsmaBnahmen, sondern sie liefert, ggf. zusammen mit einer entsprechenden Analyse der auftretenden Verfor-
515
mungen, hiiufig erst die Argumentationsgrundlage fUr ein schlussiges Konzept. In vielen Fallen ist dazu die ubliche Ortsbrustdokumentation nicht aussagekraftig genug, sondern es mussen rechtzeitig zusatzliche Eigenaufnahmen bzw. Auswertungen vorgenommen werden, urn die maBgebenden Strukturen im Gebirge zu erkennen und auch belegen zu konnen (PRINZ 2001). Bei der Begrundung von Nachforderungen ist zu unterscheiden zwischen unvorhergesehenen bzw. unvorhersehbaren geanderten Gebirgsverhaltnissen, sowie zwischen dem Baugrundrisiko und dem Systemrisiko. Haufig werden fUr die Begrundung von Nachforderungen unvorhersehbare Auswirkungen von geologischen Faktoren herangezogen, welche die Gesteins- und Gebirgsfestigkeit deutlich herabsetzen und das Verhalten des Gebirges ungunstig beeinflussen. Dies gilt vor allem fUr Auflockerungen des Gebirgsverbandes infolge tektonischer Beanspruchung, fruhere Hangbewegungen oder auch ungewohnliche Primarspannungsverhaltnisse, die bei den Voruntersuchungen nicht oder nieht ausreiehend berucksiehtigt und auch bei den Vortriebsarbeiten nicht in ihrer Tragweite erkannt worden sind. Weitere haufige Begrundungen sind vorab nieht erkannte Rinnenbildungen, besonders an alten Landoberflachen, ortlieh tiefreiehende Verwitterung, Fehlprognosen uber das Schichteinfallen, Karststrukturen oder alte bergbauliche Hohlraume, Wasserfiihrung des Gebirges, geanderte Kennwerte, bes. der Scherfestigkeit auf Trennflachen, sowie weitere im Abschn. 17.2.2 aufgefUhrte Risikofaktoren. Als unvorhergesehen gelten Ereignisse, die zwar in den Voruntersuchungen nieht erkannt wurden, die aber fUr einen Spezialisten auf dem betreffenden Fachgebiet vorhersehbar gewesen waren. Fur die am Bau Beteiligten war damit das Ereignis unvorhersehbar. Ahnlich liegt der Fall, wenn die Gebirgsverhaltnisse zwar im Wesentlichen zutreffend beschrieben waren, das Verhalten des Gebirges beim Ausbruch aber nicht richtig eingeschatzt worden ist. In diesen Fall ist zwar die geologische Prognose unverandert geblieben, es liegt aber ein geiindertes Gebirgsverhalten vor, das auch beim Vortrieb nicht rechtzeitig erkennbar war (sog. Systemrisiko). Die Folgen konnen groBe Deformationen, Nachbruche oder auch Verbruche sein.
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516
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17 Tunnelbau
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Sy 90 m) vorliegt. Dann ist das Ausweichprinzip vorzuziehen, des sen Knautschzone einen Teil der Hebungen aufnehmen kann, so dass insgesamt geringere Hebungen der Tunnelrohre zu erwarten sind (s. BACHERACH 2007). Die kritische Bauphase beim Widerstandsprinzip liegt zwischen dem Ausbruch und den ersten Sicherungsarbeiten sowie dem spateren Einbringen einer entsprechend dicken Betoninnenschale. Wenn sich wahrend des Vortriebs bereits groGere quellbedingte Hebungen einstellen, mussen notigenfalls Sohlankerungen vorgenommen und es muss eine Umstellung auf das kostenaufwandigere Ausweichprinzip vorgesehen werden (z. B. Engelberg Basistunnel; BACHERACH 2007). Bei unsicheren Bedingungen hinsichtlich der Wasserwegigkeit im Gebirge ist deshalb ein nachgiebiger Ausbau vorzuziehen (ANAGNOSTOU 2007).
17.5.3 Geotechnische Messungen und Verformungsverhalten bei Mittelgebirgstunneln Die Sicherheit eines Tunnelvortriebs wird maGgeblich gepragt von der Qualitat der BauausfUhrung und den begleitenden Kontrollmessungen der ausbruchsbedingten Verformungen. Durch
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die beim Ausbruch eines Hohlraumes stattfindende Spannungsumlagerung wird das Gebirge gegeniiber dem primaren Spannungszustand in einigen Bereichen entlastet, in anderen zusatzlich belastet (s. Abb. 17.28). Diese Spannungsumlagerungen losen Verformungen im Gebirge und am Ausbau aus. Ihre GroGenordnung ist bei angepassten Vortriebsarbeiten und Stiitzmitteln in erster Linie von der Spannungsverteilung und dem Verformungsmodul des Gebirges abhangig. Dabei hat sich gezeigt, dass, wenn ein gewisses MaG an Deformationen zugelassen wird, der notige Ausbauwiderstand zur Stabilisierung des Hohlraums erheblich reduziert werden kann. Geotechnische Messungen, besonders der Setzungen am Ausbau durch First- und KalottenfuGnivellements, dienen der Kontrolle des Tragverhaltens und sind Standard moderner Tunnelbauweisen. Sie werden seit Beginn der 1990er Jahre iiber EDV-gestiitzte, trigonometrische Messdatenerfassungssysteme vorgenommen, bei denen mittels spezieller Reflex-Zielzeichen und Lasertheodoliten Absolutbewegungen registriert werden (Abb. 17.32). Die Bestimmung der dreidimensionalen Absolutlage der Messpunkte erfolgt mit einer Genauigkeit von ± Imm (Standardabweichung). Die 3D-Verformungsmessungen der Spritzbetonschale ermoglichen eine raumliche Verformungsanalyse, wodurch auch Horizontalverschiebungen der Tunnelschale erkannt und ihre Auswirkungen gedeutet werden konnen. Die absolute raumliche Verformungsanalyse ist heute ein unverzichtbares Element der Sicherheit im Tunnelbau, wenn nicht nur Messdaten produziert und gespeichert werden, sondern mit Problemverstandnis und Erfahrung interpretiert werden (s. a. NAUMANN & PRINZ 1988; VAVROVSKY 1994; STEINDORFER et al. 1995; SCHUBERT et al. 1997). AuGer den gebrauchlichen Weg-Zeit-Diagrammen des Verformungsverhaltens einzelner Messpunkte mit Darstellung des jeweiligen Vortriebsstandes (Abb. 17.33) konnen kurzfristig auch vortriebsorientierte Darstellungen oder Interpretationen in Tunnellangsrichtung sowie Querschnittdarstellungen und andere Auswertungen abgerufen werden (SCHUBERT et al. 1997; MORITZ & SCHUBERT 2009). Mit laufenden Langsauswertungen der Deformationen konnen Zonen unterschiedlicher Gebirgssteifigkeit ausgewiesen und kritische Spannungsumlagerungs-
17 Tunnelbau
prozesse im Vortriebsbereich rechtzeitig erkannt und entsprechende SicherungsmaGnahmen getroffen werden. Die Messprinzipien und Messgerate sind in der Empfehlung Nr. 18 "Versuchstechnik Fels" beschrieben (REIK & VOLTER 1996). Das kompIette Messprogramm besteht aus der Ermittlung der dreidimensionalen Absolutlage von Firstund Kalotten- bzw. StrossenfuGpunkten im Tunnel sowie bei oberflachennahen Tunneln auch Nivellements von GeIandepunkten und gegebenenfalls Extensometer- und Inklinometermessungen. Hinzu kommen in bestimmten Messquerschnitten Druckmessdosen zur Feststellung des Radialdruckes in der Fuge Spritzbeton/ Gebirge (Gebirgsdruck) bzw. fUr den Tangentialdruck im Spritzbeton (Betondruck). Besondere Problemstellungen konnen dariiber hinaus zusatzliche Messeinrichtungen erfordern, Z. B. zur Ermittlung des Wasserdrucks oder Rissbreitemessungen (s. d. SCHUCK & FECKER 1998). RegelmaGige Verformungsmessungen der Spritzbetonschale in Abstanden von 10 bis 20 m, gehoren zu den Standardmessungen im modernen Tunnelbau. Die First - und KalottenfuGMessbolzen miissen unmittelbar nach Einbringen der Stiitzmittel gesetzt werden, urn einen moglichst groGen Teil der Gesamtverformungen zu erfassen. Der Zeitpunkt der Nullmessung und der Abstand des Messpunktes zur Ortsbrust bei der Nullmessung sind zu protokollieren. Die Messungen werden bis zum Abklingen der Bewegungen taglich, spater wochentlich oder monatlich durchgefUhrt (Abb. 17.33). Unter Konvergenz wird die ausbruchsbedingte seitliche Profileinengung eines Hohlraumes (Stauchung) aufgrund von Lastumlagerungen im umgebenden Gebirge verstanden. Die Profilaufweitung eines Hohlraumes wird als Divergenz (Spreizung) bezeichnet. Messungen im Tunnel erfassen immer nur den Verformungsanteil nach Anbringen der Messbolzen und der Nullmessung. Die dem Ausbruch bis zu diesem Zeitpunkt vorauseilenden Verformungen konnen, soweit sie bis zur Oberflache durchschlagen, mittels Oberflachennivellement in Achsrichtung und in Querprofilen ermittelt werden (Abb. 17.34). Sofern menschliche Einrichtungen im Bereich der zu erwartenden Setzungsmulde liegen, sind diese in die (taglichen) Kontrollmessungen einzubeziehen. In
527
17.5 Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges
17
Zieltafel, Prisma oder Reflektor
Abb. 17.32 Prinzip geodatischer Winkelmessung mit spezieller Objektpunktvermarkung und Darstellung der absoluten Bewegungsvektoren im Messquerschnitt. lunten) (Firmenprospekt).
stadtischen Bereichen werden dazu haufig elektronische (Druck)schlauchwaagen eingesetzt, ein stationares Vielstellenmesssystem fiir eine kontinuierliche Erfassung relativer Hohenanderungen an Bauwerken (GABENER et al. 2010). Bei ungiinstiger Verformungsentwicklung (Messergebnisse), die ein Erreichen der vorgegebenen Grenzwerte erwarten lasst, sind entsprechende MaBnahmen zu veranlassen. Die Setzungsmulde an der Geliindeoberfliiche entspricht im Normalfall der Verteilung der
Spannungsumlagerung im Untergrund. KOSTER & SCHETELIG (1988) haben bei der Untersuchung von 157 EinzelHillen bei 68 % der FaIle Grenzwinkel zwischen 31 ° und 510, im Mittel 41° festgestellt und damit erhebliche Abweichungen von der Grenzwinkeltheorie (45 + q>/2, s. Abb. 17.34). In Kluftgesteinen hiing1 die Ausbildung der Setzungsmulde sehr stark vom Trennflachengefiige sowie auch von Auflockerungszonen im Gebirge ab und fiihrt zu asymmetrisch ausgebildeten Gelandesetzungen (Abb. 17.35) bzw.
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17 Tunnelbau m Berichtszeitraus
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Abb. 17.33 Zeitsetzungsverlauf der First- und KalottenfuBpunkte (Geotec).
zu entsprechenden Verformungsdifferenzen der First- und KalottenfuBpunkte. Mit Extensometer- bzw. Gleitmikrometermessungen (Abschn. 4.8.4) werden in einem Bohrloch Relativbewegungen zwischen dem Ansatzpunkt (haufig Gelandeoberflache) und bis zu 5 verschiedenen Verankerungspunkten im Gebirge gemessen (Abb. 17.35). Auf diese Weise konnen bei rechtzeitigem Einbau die Verteilung
der Verformungen in Bohrlochlangsachse tiber und neben einem Hohlraum vor, wahrend und nach dem Ausbruch erfasst werden (z. B. Hohe der Auflockerungszone). Mit Inklinometern (s. Abschn. 4.8.4 und 15.2.5) konnen HOrizontalverformungen quer zur Bohrlochachse gemessen und damit z. B. das raumliche Verformungsverhalten vor der Ortsbrust und neben dem Hohlraum erfasst werden.
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Abb. 17.34 Theoretischer Verlauf der Setzungsmulde im Querschnitt und in Vortriebsrichtung (nach JAGER).
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17.5 Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges
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Abb. 17.35 Ergebnisse eines Extensometermessquerschnitts im Buntsandsteingebirge. Unten Ergebnisse der Tunnelkartierung mit GroBklOften und flexurartigen Schichtverbiegungen, die z. T. in St6rungszonen Obergehen. Die Zahlen bedeuten mm Setzung.
Mit Messquerschnitten einschliemieh Oberflachennivellement und Extensometermessungen, eventuell auch noch Inklinometermessungen, konnen die Entspannungsvorgange der einzelnen Bauphasen ermittelt und Angaben liber die Vorausverformungen vor der Ortsbrust und damit liber den Entspannungsfaktor gemacht werden. In einem setzungsempfindlichen Gebirge konnen (meist schnell ablaufende) Verformungen der Ortsbrust in den Hohlraum von mehreren Zentimetern auftreten, die im Tunnel nieht bzw. nur in besonderen Fallen gem essen werden. Die Ortsbrust ist damit der einzige vermessungstechnisch nieht kontrollierte Bereich eines Vortriebs. Das Verhalten der Ortsbrust nach dem Abschlag und bis zum Einbringen der Brustsicherung sowie meist auch danach bis zum nachsten Abschlag, wird immer nur visuell beobachtet bzw. nach dem gesamten Verformungsverhalten
eingeschatzt. EGGER & SCHUKOFF (2007) berichten liber erste systematische Ortsbrustdeformationsmessungen zum Erkennen von kritischen Zustanden an der Ortsbrust. Die dreidimensionale Spannungsumlagerung bewirkt einerseits eine Spannungskonzentration an den Ulmen, die zu erh6hten Setzungen und zu Festigkeitsliberschreitungen fiihren kann, und andererseits eine Spannungszunahme vor der Ortsbrust, einen Spannungsabfall im Vortriebsbereich und einen Spannungsanstieg in einem Abstand von 1,5 bis 2 D hinter der Ortsbrust (Abb. 17.36). Die sieh zunachst aufbauende Liingstragwirkung geht dabei mit zunehmendem Abstand zur Ortsbrust in eine Quertragwirkung liber, die sieh ab dem 1,5-fachen Durchmesser hinter der Ortsbrust einstellt und wodurch die Spritzbetonschale in diesem Bereich ihre volle Belastung erbalt. Daraus ergibt sich bei wenig tragfahigem Gebirge die Notwendigkeit des
17
530
17 Tunnelbau
17 SpannungsI raje k torien First-
setlungen
Abb. 17.37 Querst6rung im Ortbrustbereich behindert die Spannungsumlagerung und bewirkt erh6hte Firstsetzungen. Abb. 17.36 Schema der Spannungsumlagerungen im Vortriebsbereich.
rechtzeitigen Einbringens der Stiitzmittel und eines raschen Ringschlusses. Auch der Spritzbeton muss in dies em Abstand zur Ortsbrust eine gewisse Festigkeit erreicht haben, urn den voUen Ringdruck aufnehmen zu konnen. Die Spritzbetonschale weist bei einer Vortriebsgeschwindigkeit von etwa 3 m/ d in diesem Bereich ein Alter von 5 bis 6 Tagen auf. Gleichzeitig hat die Schale hier bereits einen Grogteil ihrer Verformungen erhalten. Die Spannungsausbreitung und damit das Verformungsbild sind sehr stark yom TrennflachengefUge abhangig. Steil stehende Schichtung oder den Vortrieb begleitende Grogkliifte behindem die Spannungsausbreitung und konnen die Firste oder den Ulmenbereich einseitig belasten und erhohte Setzungen verursachen. Querschlagige Grogkliifte im Bereich der Ortsbrust behindem die Spannungsumlagerung in Langsrichtung und bewirken damit eine Spannungskonzentration und erhohte Verformungen der Ortsbrust, bzw., wenn sie in den Tunnel einstreichen, Spannungskonzentrationen im Aushubbereich und damit erhohte Firstsetzungen (Abb. 17.37). Messungen haben gezeigt, dass sowohl die anfanglichen Spannungsumlagerungen als auch die damit verbundenen Verformungen dem Ausbruch urn ein bis zwei Tunneldurchmesser (D)
vorauseilen, aber etwa im selben Abstand hinter der Ortsbrust weitgehend zum Stillstand kommen (Abb. 17.38). Die voreilenden Gebirgsverformungen sind auf den Spannungsanstieg vor der Ortsbrust zuriickzufUhren. Sie konnen 30 bis 50 % der Gesamtverformungen erreichen und bilden die theoretische Grundlage fUr den rechnerischen Ansatz der Vorentlastung bei der Tunnelstatik (s. Abschn. 17.5.5). Entscheidend fUr die Grogenordnung der Vorausverformungen ist der Zeitpunkt des Einbaus der Spritzbetonschale und bei den konkreten Messwerten auch der Zeitpunkt der Nullmessungen des Firstpunktes. Die Vorausverformungen schlagen auch bei Dberlagerungshohen von 50 bis 100 m teilweise noch bis zur Gelandeoberflache durch. Die Grogenordnung dieser, durch vorlaufende OberflachenniveUements gemessenen Verformungen gibt vorab Hinweise auf die Gebirgsqualitat und auf ortliche Schwachezonen. Die Vorausverformungen und die anfangliche Verformungsgeschwindigkeit sowie die Grogenordnung der Verformungen sind Ausdruck des Tragverhaltens des Gebirges. Nach Abklingen der ausbruchsbedingten Spannungsumlagerungen bzw. Verformungen stellt sich ein sekundarer Spannungszustand ein, der zunachst ein Gleichgewicht zwischen dem Ausbauwiderstand und den Umlagerungsspannungen bedeutet. Ein anhaltendes Nachkriechen der Verformungen zeigt immer ein ungiinstiges Gebirgsverhalten an.
531
17.5 Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges
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Abb. 17.38 Anteil der Vorausverformungen und messtechnisch erfassbare Verformungen bei einem Kalottenvortrieb (nach
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Bei Mittelgebirgstunneln zeigen ausreichend tief reichende Extensometer- und auch Gleitmikrometermessungen seitlich der Tunnelrohre Vertikalverformungen bis unter das Aushubniveau, die belegen, dass es sich bei den gemessenen Verformungen tatsachlich urn Setzungen infolge Spannungszunahme handelt (s. Abb. 17.35). 1m Entlastungsbereich unterhalb der Tunnelrohre wurden entsprechend auch leichte Hebungen beobachtet. Gleitmikrometermessungen mit Darstellung der Verteilung der Verformungen in Bohrlochachse zeigen, dass uber dem Ausbruch eine Abnahme der spezifischen Verformungen nach oben stattfindet, was eine Zone vertikaler Dehnungen bedeutet, wahrend die Verformungen vor der Ortsbrust und seitlich neben dem Tunnel Stauchung, d. h. Kompression anzeigen. Die Vertikalverformungen infolge Spannungszunahme werden iiberlagert durch einen Horizontalverformungsanteil als Folge der freien Hohe des Tunnelausbruchs (s. Abschn. 10). Die GroBenordnung dieser Horizontalverformungen ist abhangig von der Spannungsumlagerung und der Gebirgsfestigkeit, insbesondere der Gebirgsscherfestigkeit auf Trennflachen. Eine Horizontalverformung macht sich besonders im Ortsbrustbereich bemerkbar. Bei flachliegenden Tunneln kann ein direkter Zusammenhang zwischen dem AusmaB der Oberflachensetzungen und den Ortsbrustverformungen festgestellt werden (MORITZ et al. 2008). Die horizontalen Konvergenzen bzw. Divergenzen sind vielfach recht gering (NAUMANN &
BERWANGER
& LINDNER
1989).
PRINZ 1988). In Gebirgsbereichen, in denen die Spannungskonzentrationen am Ausbruchrand in die GroBenordnung der Gebirgsfestigkeit (auch geringe Scherfestigkeit auf vorgegebenen Flachen) kommt, ist mit groBeren Verformungen der Spritzbetonschale und auch mit entsprechenden Konvergenzen zu rechnen, die besondere MaBnahmen verlangen (SCHUBERT & MARINKO 1989). Ein zu definierendes zuliissiges Verformungsma6 hangt wesentlich von der Tiefenlage des Tunnels und yom Sprodbruchverhalten bzw. einem mehr zahen (duktilen) Bruchverhalten des Gebirgsbereiches ab (s. Abschn. 2.6.10.3). Bei einem sprode reagierenden Gebirge konnen sich bereits ab 5 bis 10 em (gemessene) Verformungen unmittelbar Bruchvorgange anschlieBen, wahrend bei mehr duktilem Gebirgsverhalten Verformungen von 10 bis 15 em (und mehr) noch nicht zum Versagen fUhren miissen (s. a. RABCEWICZ 1944). Bei den Uberlegungen iiber das jeweils zulassige VerformungsmaB ist zu beachten, dass eine beim Kalottenausbruch in der Firste gemessene Setzung NF von 50 mm zusammen mit Setzungen aus dem Strossen- und Sohlvortrieb von etwa 30 bis 60% von Np sowie mit den nicht gemessenen voreilenden Setzungen (die i. Allg. bei 30-50% von NF liegen), bereits eine Gesamtsetzung des Gebirges von etwa 80-105 mm ergibt. Allgemein giiltige Kriterien fUr die Bewertung von Verformungskurven liegen nicht vor. Die theoretische Moglichkeit, die Standsicherheit
532 abzuschatzen, ware ein Vergleieh von gemessenen und berechneten Verformungen (Soll/IstVergleieh). Die Verformungen gelten dabei als zulassig und die Standsieherheit als nachgewiesen, solange die gemessenen Verformungen nieht groBer werden, als die im statischen Nachweis als zulassig erkannten Werte. Die statischen Berechnungen liefem jedoch, wie im Abschn. 17.5.5 dargelegt wird, keine derart zuverlassigen Aussagen (s. QUICK et al. 2000). Die Bewertung der Verformungen erfolgt deshalb praktisch nach dem Erfahrungswissen bzw. der Methode der vergleichenden Betrachtung. Aus der Ahnlichkeit der Kurvenverlaufe werden dabei Ruckschlusse auf das Gebirgsverhalten gezogen. Als abgestufte Alarmwerte gelten sowohl bestimmte Grenzwerte (in mm) als auch Auffalligkeiten im Setzungsverhalten der einzelnen Messpunkte. Entscheidendes Kriterium ist das Abklingen der Verformungen nach 3 bis 4 Tagen, wobei als kritischer Verformungszuwachs Anfangssetzungen von 0,1 % des Tunneldurchmessers pro Tag uber mehr als 3 Tage, auch wenn sie sieh durch Ausbauverstarkung beruhigen, als Anzeichen fUr ungenugende Tragreserven angesehen werden muss en. AuBerdem sollten die Verformungsdifferenzen der First - und Kalottenpunkte auf 20 bis 30 mm begrenzt werden (SCHUBERT et al. 1997). Besonders kritisch sind asymmetrisches Verformungsverhalten und Konvergenzen bzw. Divergenzen zu bewerten, fUr die nieht nur wesentlich niedrigere Alarmwerte gelten, sondem bei denen vor allen Dingen keine langer anhaltende Tendenz auftreten darf. Verformungsmessungen allein geben jedoch noch keine Aussage uber den letztlieh auf dem Tunnelausbau lastenden Gebirgsdruck. Hierzu werden in bestimmten Messquerschnitten Druckkiss en fUr Spannungsmessungen Beton/Gebirge und im Beton installiert (Abb. 17.39), die getrennt den Tangentialdruck im Spritzbeton sowie den Radialdruck am Kontakt Spritzbeton/Gebirge anzeigen. Bei dies en stationaren Druckkissen bzw. Druckmessdosen handelt es sieh urn direkte Spannungsmessverfahren (s. Empfehlung Nr. 19, Versuchstechnik Fels). Die Ergebnisse sind in hohem MaBe von der Einbauqualitat abhangig und sind haufig erst nach mehreren Messungen einigermaBen zu deuten. Einzelne Messquerschnitte geben damit keine ausreichende Aussage, welche Spannungen in der Spritzbeton-
17 Tunnelbau Gillerbogen Druckmestldo&e
DruckmeUdose
Abb. 17.39 Einbau von Druckmessdosen fOr Tangentiaid ruck (oben) und Radialdruck (unten) im Spritzbeton (Zeichn. SAUER, Salzburg).
schale vorliegen und welche Tragreserven bei welchen Verformungen noch vorhanden sind. Mit Hilfe von FE-Berechnungen wird daher versucht, eine nachvollziehbare Aussage uber den Auslastungsgrad der Spritzbetonschale und damit uber die noch vorhandenen Tragreserven zu erhalten (ROKAHR 2000). Der Auslastungsgrad ist definiert als das Verhaltnis zwischen vorhandener Spannung und aufzunehmender Spannung. Betragt der Auslastungsgrad 100%, ist die Bruchfestigkeit des Spritzbetons erreicht.
17.5.4 Verbundwirkung von Gebirge und Spritzbetonausbau Voraussetzung fUr einen erfolgreichen Tunnelvortrieb ist eine realitatsnahe Einschatzung des Gebirges sowie der Verbundwirkung von Gebirge und den eingesetzten Sieherungsmitteln, wobei das Gebirge die eigentliche Tragwirkung zu ubernehmen hat und den Sicherungsmitteln nur unterstutzende Funktion zukommt. Die konventionellen Tunnelbaumethoden nutzen diese Verbundwirkung aus. Sie basieren im Wesentlichen auf der Neuen Osterreichischen Tunnelbauweise (NOT, engl. NATM), die allgeme in als Spritzbetonbauweise bezeiehnet wird. Dabei handelt es sich urn eine Baumethode auf der Grundlage praktischer Erfahrungen und mo-
17.5 Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges
derner geotechnischer Erkenntnisse unter Verwendung von Spritzbeton, Ankern und sonstigen Stiitzmitteln in Verbindung mit Messungen zur Kontrolle der Dimensionierung (ROKAHR 1995, darin Lit.). Die Spritzbetonbauweise setzt die Verbundwirkung Gebirge/Bauwerk voraus, die durch einen gebirgsschonenden Ausbruch und eine sofortige Versiegelung mit Spritzbeton erreicht wird (s. Abschn. 17.8.1). Der Spritzbeton passt sich den Unebenheiten der Ausbruchflache voll an, was entscheidend zur Lastabtragung beitragt. Diese erfolgt durch das Gebirge selbst, in Kombination mit der Spritzbetonschale. Dber die Kontaktflache Gebirge/Spritzbeton werden sowohl radiale als auch tangentiale Spannungen auf die Spritzbetonschale iibertragen. Die relativ diinne Spritzbetonschale, gegebenenfalls verstarkt durch Stahlbogen, Bewehrungsmatten und Anker, blockiert eine Initialbewegung
533
der Kluftkorper, wodurch die Gebirgsauflockerung im Wesentlichen auf eine pseudoelastische Entspannungsbewegung reduziert wird. Es tritt keine weitere Entfestigung und damit keine grogere Gebirgsauflockerung ein. Die diinne und schlaffe Spritzbetonschale hat damit nicht die Aufgabe, Gebirgsdruck aufzunehmen, sondern nur die Gebirgsauflockerung zu minimieren und verbessert damit die Eigentragfahigkeit des Gebirges. Andererseits kann die schlaffe Spritzbetonschale, im Gegensatz zum friiheren massiyen Holzverbau, die durch die Spannungsumlagerung bedingten Verformungen mitmachen, ohne gleich Schaden zu erleiden oder zu versagen (Abb. 17.40). Nach dem urspriinglichen Text des osterreichis chen Nationalkomitees wird das den Hohlraum umgebende Gebirge durch "Aktivierung eines Gebirgstragringes" zu einem tragenden Bauteil. Unter Gebirgstragring wird dabei der
Abb. 17.40 Gegeniiberstellung der alten Tunnelbauweisen mit Holzverbau und die zweischalige Neue Osterreichische Tunnelbauweise (Zeichn. KNITTEL, Hallein).
17
534
17 Tunnelbau
den Hohlraum umgebende Gebirgsbereich verstanden, in dem die wesentlichen Spannungsumlagerungen stattfinden. Urn diese Tragwirkung zu erhalten, ist es in einem nicht standfesten Gebirge erforderlich, den Hohlraumrand zu stiitzen bzw. zu stabilisieren (VAVROVSKY 1994; ROKAHR 1995). Fur die Dimensionierung der Spritzbetonschale und der Stutzmittel ist und bleibt das Tragverhalten des Gebirges selbst von ausschlaggebender Bedeutung. Die durch die Spannungsumlagerungen ausgelOsten Verformungen bewirken zunachst eine deutliche Abnahme der Belastung. Der Druck steigt jedoch bei fortschreitender Verformung wieder an. Dberschreiten die vertikalen Verformungen ein bestimmtes MaB, so kann es zunachst zu lokalen Festigkeitsuberschreitungen an groBeren und an ubereinander liegenden kurzeren Trennflachen kommen. Hierbei konnen sich Scherzonen ausbilden, die sich durch fortschreitende Uberlastung der Nachbarbereiche wie ein progressiver Bruch fortpflanzen (Abb. 17.41 und NAUMANN &PRINZ 1988; SCHUBERT 1994). Nach der Literatur (s. PREH & POISEL 2009) kann der Versagensablauf wie folgt unterteilt werden: In einer Anfangsphase bleiben die Bruchflachen auf den Nahbereich begrenzt. Bei zunehmenden Verformungen, insbesondere groBeren Horizontalverformungen, bilden sich tief in das Gebirge reichende Scherbruchflachen aus, die im Endstadium zu Scherbruchkorpern fiihren. Allgemein gehen Verbruchereignissen zunehmend groBere Setzungen voraus, welche die oben genannten Vorgange anzeigen. Werden diese ,
,
.,,
,,
,,
Abb. 17.41 Ausbildung von Scherzonen und Bruchmechanismen im Kalottenstadium (nach SCHUBERT & MARINKO
1988).
Verformungen durch Verstarkung oder rechtzeitige Stutzung des Ausbaus mit Stempeln o. A. gebremst, so kann der Verbruchvorgang trotz verhaltnismaBig groBer Setzungen meist noch verhindert werden. In sprode reagierenden Gebirgsarten (z. B. von GroBkluften durchzogene harte Kalkstein- oder Sandsteinbanke) konnen Brucherscheinungen auch ohne vorherige groBere Setzungen eintreten. Die GroBe der Niederbruche ist abhangig von der Gebirgsfestigkeit, den Trennflachenabstanden und ihrer Raumlage zum Tunnel, etwaigen Wasserzutritten sowie dem Tunnelquerschnitt. Kleinere Niederbruche fiihren zur Entstehung von sog. Kaminen. GroBere Niederbruche oder Verbruche konnen den gesamten Tunnelquerschnitt verschutten. Bei flachliegenden Vortrieben schlagen sie meistens bis zur Gelandeoberflache durch (sog. Tagesbruche). Weitere Anzeichen auf unzureichende Standsicherheit, auf die ein Tunnel standig beobachtet werden muss, sind Risse im Spritzbeton und die Verformung von Ankerplatten, die eine Uberbeanspruchung der Anker anzeigen. Aus dem Rissebild kann auf die Art der Beanspruchung geschlossen werden. Radialrisse an Bogen sind in der Regel Biegebruche aus unterschiedlichen Beanspruchungen (Verformungen) in Tunnellangsrichtung, wahrend Langsrisse im First- bzw. Kampferbereich meist eine Schubbeanspruchung der Schale anzeigen, die verschiedene Ursachen haben kann. Bei linear begrenzter Schubbeanspruchung, z. B. an tektonischen Flachen, konnen auch riedelartige Risse im Spritzbeton auftreten, welche das Durchstreichen der Flache nachzeichnen. Die Rissebilder sind zu kartieren (Abb. 17.42) und mit den raumlichen Verformungsmessungen, der ingenieurgeologischen Tunnelaufnahme sowie dem Zustand der Ankerkopfe zu vergleichen, was meist weitergehende Schlusse auf die Beanspruchungsart ermoglicht. Das weitere Verhalten der Risse ist durch Rissbreitenmessungen, zusatzliche Messbolzen, Gipsplomben und andere Zeitmarken zu kontrollieren. Das Rissebild und die weiteren VerformungsmaBe bzw. -geschwindigkeiten sind ein wichtiges Beurteilungskriterium fur den jeweiligen Gefahrdungsgrad. Die Frage nach den zuilissigen Verformungen (Setzungen, Konvergenzen bzw. Divergenzen), ohne dass es zu Rissbildungen an der Spritzbe-
535
17.5 Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges
17 ®
AbpIolzungIn Sprilm.ton zo. t RiIlstOrl<e in 111m
Slot 710
Stol . 680 Abb. 17.42 Raumliche Darstellung einer Rissekartierung (Iinke Tunnelhalfte).
tonschale und zu einem Verlust der Tragfahigkeit kommt, kann nur unter Beriicksichtigung der Verformungsentwicklung auf der Grundlage moglichst raumlicher Absolutmessungen diskutiert werden (Alarmwerte s. Abschn. 17.5.3). Die Auswertung zahlreicher Schadensereignisse zeigt, dass sich Schwachstellen und kritische Bauzustande in der zeitlichen und raumlichen Verformungsentwicklung meist ankiindigen und dass durch eine den Vortrieb begleitende griindliehe Analyse der geotechnischen Messungen im Vergleich mit der ingenieurgeologischen Tunnelkartierung rechtzeitig GegenmaBnahmen ergriffen werden konnen (NAUMANN & PRINZ 1988; VAVROVSKY 1994; PURRER & JOHN 1994; SCHUBERT 1994). In einem Sicherheitsmanagementplan wird deshalb fUr ein solches vom Sollwert abweichendes Verformungsverhalten ein abgestuftes Alarmsystem festgelegt (MORITZ & SCHUBERT 2009). Nach allen Erfahrungen ist im Tunnelbau ein Zustand erst wirklich kritisch, wenn keine Zeit mehr gegeben ist, Verstarkungen der Sieherungsmittel zur Stabilisierung des Tragsystems einzubauen.
Diese Bauweise ist unter dem Begriff "Beobachtungsmethode" in der DIN EN 1997-1 verankert (s. Abschn. 5.2). 1m Tunnelbau, der zu den komplexen geotechnischen Aufgaben gehOrt, bedeutet dies, dass MaBnahmen, die im Rahmen der Ausfiihrungsplanung festgelegt worden sind, wahrend der Vortriebsarbeiten laufend kontrolliert werden. Die Prognosen iiber das Systemverhalten, d. h. den Wechselwirkungen zwischen Gebirge und Vortriebsverfahren sind wahrend der Bauausfiihrung zu iiberpriifen und ggf. die Kennwerte anzupassen, wenn sich das Verhalten von Bauwerk und Gebirge nicht wie erwartet einstellt. Bei sich abzeichnenden zu groBen Verformungen oder einer Gefahrdung der Standsicherheit sind entsprechende GegenmaBnahmen einzuleiten (SCHUBERT 201O). Aufgabe des Ingenieurgeologen ist dabei, das Tragverhalten des Gebirges mit einzuschatzen und durch verbale Beschreibung auf mogliche Gefahrdungssituationen hinzuweisen, wobei Erfahrungen aus vergleichbaren Gebirgsverhaltnissen bei der Risikobewertung durchaus von ahnlichem Gewicht sein sollten, wie Berech-
536
nungsergebnisse (DUDDECK 1994; SCHUBERT 20lO). Eine solche geotechnische Interpretation hat umso mehr Bedeutung, als die Rahmenbedingungen (Geologie, Tektonik, Gebirgsverhalten, Einfluss des Grundwassers) stark variieren und sehr komplex sein ki:innen.
17.5.5 Bemessungsannahmen fur die Tunnelstatik Unter dem Begriff Tunnelstatik werden sowohl komplizierte Rechenmethoden als auch einfache statische Oberlegungen uber die Tragwirkung der Tunnelschale verstanden. Da Tunnel heute nicht nur im Festgestein, sondern auch in stark entfestigten Gebirgen bis hin zu einem Lockergestein aufgefahren werden, wachst mit abnehmender Gebirgsqualitat die Bedeutung statischer Berechnungen. Der Tunnelbau ist zwar im Eurocode 7 bzw, in der DIN EN 1997-1 (s. Abschn. 5.2) nicht explizit erwahnt, die darin definierte Beobachtungsmethode ist jedoch immer schon wichtiger Bestandteil der Bemessungspraxis von Tunneln gewesen. Unabhangig davon kommt mit den neuen Normvorschriften auch bei der Berechnung und Bemessung von Tunneln das Teilsicherheitskonzept zur Anwendung (STADING & KROCKER 20lO). 1m Tunnelbau sind die Wechselwirkungen zwischen Gebirge und Bauwerk komplexer als bei vielen anderen geotechnischen Aufgabenstellungen, da das Gebirge, wie Eingangs bereits erwahnt, nicht nur als Einwirkung, sondern auch als Widerstand wirkt. Die wesentlichen standigen Einwirkungen auf den Tunnel sind das Eigengewicht, der Erddruck aus der Uberlagerung, der Seitendruck und der Wasserdruck sowie ggf. echter Gebirgsdruck. Die Annahmen bzw. charakteristischen Kennwerte fur diese Lasten werden nachstehend behandelt (Abschn. 17.2.8). Hinzu kommen veranderliche Einwirkungen aus Temperatur und Verkehr sowie als auBergewi:ihnliche Einwirkungen noch der Lastfall Brand. 1m Tunnelbau sind heute statische Untersuchungen mit Hilfe numerischer Berechnungen allgemein ublich. Ziel dieser Untersuchungen sind moglichst realistische Voraussagen uber das Verformungsverhalten von Gebirge und Bauwerk sowie der gegenseitigen Wechselwirkungen. Die
17
Tunnelbau
Ergebnisse dienen in der Regel auch als Basis fur die Bemessung. 1m oberflachennahen Tunnelbau kommen seit einigen Jahren dazu noch die Forde rung nach Standsicherheitsnachweisen gegen Durchstanzen der Tunnelfirste im Bereich des noch nicht geschlossenen Tragrings sowie gegen einen mi:iglichen Verbruch der Ortsbrust oder einen Grundbruch des KalottenfuBauflagers. Mit der Verfeinerung der Berechnungsmethoden gewinnt auch die Ermittlung der maBgebenden Berechnungskennwerte zunehmend an Bedeutung.
1755 1 Annahmen fur d n pritzbetonausbau Die Standsicherheit im Tunnelbau wird im Wesentlichen durch das Verbundsystem Gebirge, Ausbau und Anker gewahrleistet. Die Belastungsseite und die Widerstandsseite konnen dabei nicht streng getrennt werden. Bei der Bemessung des Spritzbetonausbaus sind folgende FaIle zu unterscheiden: Der Spritzbeton dient lediglich als Versiegelung Der Spritzbeton verhindert das Herausfallen von Kluftkorpern und eine Gebirgsauflockerung Der Spritzbeton wird auf einen Stutzdruck (Ausbauwiderstand) bemessen. Die rechnerischen Nachweise der Standsicherheit von Tunnelbauwerken beruhen auf einer Anzahl von Parametern, die z. T. nur naherungsweise erfasst werden ki:innen. Die Berechnungen basieren deshalb zwangsIaufig auf stark idealisierten ModeIlvorsteIlungen. Die Standsicherheitsuntersuchungen im Tunnelbau haben damit einen anderen Stellenwert als sonst im konstruktiven Ingenieurbau. Die Sicherheit ist nach wie vor auf die Beobachtung und Messung wahrend der Vortriebsarbeiten angewiesen. Die angetroffenen geologischen Verhaltnisse muss en mit den der Bauausfuhrung zugrunde gelegten Bemessungsannahmen fur die statistischen Berechnungen verglichen und gegebenenfalls die Kennwerte bzw. die ursprunglich festgelegten Stutzmittel angepasst werden. Das Problem dabei ist, dass mit den Messwerten bzw. darauf aufbauenden Ruckrechnungen nur der integrale
17.5 Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges
537
17
Einfluss samtlieher Parameter erfasst werden kann und nieht einzelne Einflussfaktoren (s. ROKAHR
1995).
Ausgehend yom ingenieurgeologischen Gutachten werden fUr die Tunnelstatik Homogenbereiche definiert, in welchen die Felseigenschaften soweit homogen angenommen werden, als sie innerhalb einer charakteristischen Bandbreite liegen. Nach DIN 1054 sind fUr die Dimensionierung charakteristische Kennwerte (s. Abschn. 5.2) maBgebend. Urn die Auswirkung der Streubreite der Gebirgskennwerte zu erfassen, sind nach RiL 853.0004 fiir untere Kennwertkombinationen Parameterstudien vorzunehmen. Diese haben aber nicht unbedingt Einfluss auf die Dimensionierung. Auf die Grundlagen der Tunnelstatik kann hier nur in groben Ziigen eingegangen werden, praktisch nur zu dem Zweck, urn die Notwendigkeit und die Verwendung der yom Ingenieurgeologen mitzuliefernden Bemessungsannahmen darzulegen. Fiir die in der Praxis iiblichen statischen Berechnungen sind im Wesentliehen zwei Verfahren gebrauchlich: Berechnung mit gebetteten Stabwerken (Stabwerks- oder Bettungsmodulverfahren) Berechnung mit Kontinuums- bzw. Diskontinuumsmodellen (Finite Element Methode, FEM). Beim Stabwerksmodell wird die Tunnelauskleidung als ein von auBen durch die Uberlagerungslast bzw. durch die Last der Auflockerungsglocke und gleiehzeitig durch einen gewissen Seitendruck belastetes System betrachtet, bei dem das umgebende Gebirge als Bettung fungiert (Abb. 17.43). Die Wechselwirkung zwischen Gebirge und Ausbau wird durch elastische Federn simuliert und der Gebirgsdruck (Auflockerungsdruck) geschatzt. Die Wirkung der elastischen Federn wird iiber den Bettungsmodul in die Rechnung eingefUhrt. Das Berechnungsverfahren liefert ausschlieBlich Verformungen und Beanspruchungen des Tunnelausbaues. Der Bettungsmodul ks wird naherungsweise aus dem Verformungsmodul ermittelt und wird gewohnlich als oberer und unterer Grenzwert angegeben: k = V-Modul s r
E Geb . bzw. (1 +v)·r
h
Abb. 17.43 Berechnungsmodell gebetteter Stabzug
(aus NAUMANN & PRINZ 1988). h = Oberlagerungsh6he bzw. H6he der Auflockerungsglocke Ko = Ruhedruckbeiwert (s. Abschn. 17.2.2)
ks =C· V - Modul (inkN/m 3 ) r
v = Poissonzahl,
r = Radius eines kreisformigen Tunnels, sonst H/2 bzw. D12, C = eine Konstante, deren Wert von verschiedenen Autoren zwischen 0,66 und 3,0 meist mit 0,8 bis 1,0 angegeben wird. Die rechnerisch anzunehmende Auflast auf den Tunnelausbau wird in der Regel iiber die Tunnelbreite als konstant angenommen. Bis zu einer Uberlagerungshohe H =D wird bei Lockergesteinen und bei stark angewitterten, nachbriichigem Gebirge die volle Uberlagerungslast als vertikale Auflast angesetzt (Abb. 17.44). Bei einer UberlagerungshOhe bis 1,5-2 D ist der untere Teil bis etwa 1 D mit der vollen Uberlagerungslast anzusetzen, dariiber mit einer ellipsenfOrmigen Ab-
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17 Tunnelbau
17
Abb. 17.44 Annahmen fUr die Auflast auf den Tunnelausbau (nach DUDDECK 1990) H = Oberlagerungsh6he, h = H6he der Auflockerungsglocke, Ko = Ruhedruckbeiwert.
minderung der Druckflache auf maximal 50% der anteiligen Last. Der Seitendruck wird im Fels uber die Tunnelhohe mit konstantem Wert angesetzt, bei geringen Seitendrucken ggf. auch mit nach unten abnehmender Last. In Lockergesteinen ist bei flachliegenden Tunneln fallweise zu entscheiden, ob mit einer solchen Rechtecklast oder mit einer nach unten zunehmenden Trapezlast zu rechnen ist. Das Seitendruckverhiiltnis bezieht sich auf die in Firsthohe (bzw. z. T. auf Kalottenniveau) anzunehmende Auflast. Die Abminderung des Seitendrucks geht rechnerisch uber das Seitendruckverhiiltnis in die Tunnelstatik ein (s. Abschn.
Abb. 17.45 Schematische Darstellung einer den Klufttreppen folgenden Auflockerungs- bzw. Nachbruchglocke.
Gebirgsklasse entsprechenden Hohe der Auflockerungsglocke und Begrenzung der zulassigen Verformungen. Die Hohe der Auflockerungsgloeke ist auGer vom Gebirge und seinen Trennflachen (Gebirgsscherfestigkeit) vom Querschnitt des Hohlraumes und von den Vortriebsarbeiten abhiingig. Zur Abschatzung der Auflockerungshohe stehen verschiedene Verfahren zur Verfugung, die von unterschiedlichen Bruchmechanismen ausgehen. Nach RABCEWICZ (1944) betragt die Hohe der Lastglocke im spannungsfreien Raum fur lockergesteinsartiges Gebirge d 2·sin qJ
17.5.5.2).
d = halbe Ausbruchsbreite D
Bei oberflachennahen Tunneln mussen die Sicherungsmittel einen GroGteil der Lasten aufnehmen. Bei groGeren OberlagerungshOhen und groGen Tunnelquerschnitten von >10 m Breite wurde eine solche Berechnung eine Auflast von 600 bis 700 kN/m 2 bedeuten, was in der Praxis zu unrealistischen Spritzbetonstarken fiihren wiirde. Die Sicherungsmittel konnen dann nur eine unterstutzende Funktion ubernehmen. Die Dimensionierung erfolgt in dies en Fallen nach einer der
Diese empirische Ableitung liefert recht brauchbare Werte, die auch durch andere Oberlegungen erhartet werden (Abb. 17.45). 1m Endzustand wirkt zwar im Regelfall nicht die gesamte Last des aufgelockerten Bereichs, es stellen sich aber daruber hinaus Verformungen im Gebirge ein, die ebenfalls eine Belastung des Ausbaus bewirken, so dass die rechnerische Auflockerungsglocke nicht zu knapp bemessen sein darf. Durch unsach-
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17.5 Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges
gemaBes Arbeiten kann der Auflockerungsdruck unnotig groB werden. In Gebirgsbereichen, in denen die Spannungsumlagerung behindert ist, konnen iiber die Auflockerungsglocke hinausgehende, groBere Oberlagerungslasten auf den Ausbau einwirken (s. Abschn. 17.5.5.1). Bei standfesten bis gebrachen Gebirge und einer UberlagerungshDhe ab etwa dem 2-fachen Durchmesser wird fUr die verschiedenen Gebirgsklassen mit folgenden Ersatz-Belastungsannahmen gearbeitet (Abb. 17.46): Standfestes Gebirge, das praktisch keinerlei Sicherung des Hohlraumes bedarf, erfordert eine hohe Gebirgsfestigkeit, einschlie6lich Gebirgszugfestigkeit und eine Gebirgsscherfestigkeit von cp > 45° (Ko = 0,2 bis 0,3). Diese Anforderungen sind nur bei weitstandiger Kliiftung und geringem Durchtrennungsgrad gegeben. In mittelund diinnbankigen Sedimentgesteinen sind diese Voraussetzungen in der Regel nieht erfiillt. Der Spritzbeton dient bei standfestem Gebirge nur der Versiegelung und verhindert eine Gebirgsauflockerung. Bei ausreichender Gebirgsfestigkeit, aber nachbriichigem Gebirge erfolgt die Dimensionierung haufig nach einer empirisch geschatzten oder nach obigem Verfahren ermittelten Hohe der Auflockerungsglocke (cp = 35° bis 30°, Ko = 0,35 bis 0,5). Der Spritzbeton hat hier die Aufgabe, Nachbriiche zu verhindern und durch eine gewisse Stiitzwirkung die Eigentragfahigkeit
nahme wird durch die einfache Betrachtung des moglichen Bruchkorpers entlang sog. Klufttreppen gestiitzt (Abb. 17.45). Bei gebrachem Gebirge muss die Spritzbetonauskleidung nahezu die gesamten Umlagerungsspannungen aufnehmen. Dazu wird bei den heutigen Verkehrstunneln als Ersatzlast unabhangig von der Uberlagerung, ein elliptischer Gebirgskorper von etwa 10 m Hohe angenommen (cp '" 20°, Ko = 0,66), dessen rechnerische Grundflache seitlich unter einem Austellwinkel von 45 +cp/2 verbreitert ist (Abb. 17.46b). Bei stark gebrachem bis leicht druckhaftem Gebirge, bei dem die Druck- oder Scherfestigkeit des Gebirges in den Ulmen iiberschritten werden kann, wird in der Regel gepriift, ob die rechnerische lotrechte Spannung am Ausbruchrand die einaxiale Druckfestigkeit des Gebirges moglicherweise iibersteigt (Abb. 17.47). In solchen Gebirgsarten geringer Festigkeit (qu = 1-5 MN/ m 2) und entsprechender Uberlagerungshohe ist das Gebirge nach dieser Vorstellung im Bereich der Spannungsumlagerung bis an die Grenze seiner Tragfahigkeit beansprucht und es ist mit groBen Verformungen oder Brucherscheinungen zu rechnen (s. Abschn. 17.5.2). Bei derartigen Verformungen kann es bereits zur Ausbildung einer Zone plastischen Materialverhaltens kommen, in der das Gebirge den Ausbau allseitig belastet. Ein solches plastisches Gebirgsverhalten bedeutet eine Oberbeanspruchung des Gesteins bzw. des
des Gebirges zu erhalten. Fiir mittelbankige Sedi-
Gebirges auf den Trennfliichen.
mentgesteine entsprieht die Mindestbelastung etwa der halben Ausbruchbreite, d. s. bei zweispurigen Verkehrstunneln etwa 6 m. Diese An-
Bei der Abschatzung der Druckhaftigkeit des Gebirges werden zunachst zwei Eingangsparameter unterschiedlich diskutiert. Erstens kann dabei die einaxiale Gesteinsdruckfestigkeit herangezogen werden oder muss die niedrigere Gebirgsdruckfestigkeit angesetzt werden und zweitens reicht die Uberlagerungslast (Jv = r· Hti aus oder muss die hohere Spannungskonzentration am Ausbruchrand beriicksiehtigt werden:
o
Hti = UberlagerungshDhe (s. Abb. 17.47)
Abb. 17.46 Schematische Darstellung der Ersatz-Belastungsannahmen bei nachbruchigem (a) und gebrachem (b) Gebirge.
Diese Ansatze, die insgesamt zu iiberdimensionierten Ausbaustarken gefiihrt und in ihren Auswirkungen in der Praxis keine Bestatigung gefunden haben, werden schon seit Jahren kontrovers diskutiert. Verschiedene Studien (s. PREH &
7
540
17 Tunnelbau
17
Einaxiale Gesteinsfestigkeiten
Schichtenprofil
710
20
30 (MPaJ
Oberer Donzdorfer Sandstein
Abb. 17.47 Schichtenprofilausschnitt aus dem Braunen Jura mit Darstellung der einaxialen Gesteinsdruckfestigkeiten von Tonsteinlagen, die hier teilweise niedriger sind als die rechnerische Oberlagerungslast (MARQUART
Unterer Donzdorfer Sandsteln Ton.fT'onmergelsteine
2004).
POISEL 2009) haben gezeigt, dass Druckversuche an Gesteinen nur bedingt mit der Beanspruchung des Gebirges am Ausbruchrand vergleichbar sind und dass Brucherscheinungen bzw. eine Bruchausbreitung am ungestiitzten Hohlraumrand erst bei Tangentialspannungen von einem Mehrfachen der einaxialen Druckfestigkeit auftreten. Unter druckhaftem Gebirge versteht man Gesteine geringer Festigkeit und hoher Verformbarkeit, in denen bei groBeren Dberlagerungshohen die Tangentialspannungen am Ausbruchsrand die Gesteinsdruckfestigkeiten iiberschreiten und lang anhaltende groBe Deformationen auf den Ausbau einwirken. Dazu gehoren in erster Linie phyllitische Gesteine und tektonisch stark beanspruchte Schiefergesteine sowie Storungszonen, besonders wenn sie zusammen mit engstandigen Trennflachen (Schieferung oder engstandige Schichtung) achsparallel oder unter spitzen Winkel zur Tunnelachse verlaufen. Eine iiberschlagige Bewertung der Druckhaftigkeit kann ggf. durch Division der Gesteinsfestigkeit durch die vertikale Primarspannung erfolgen (JOHN & REITER 2007, darin Lit.): > 0,45
nachbrilchig
0,45 - 0,28
leicht druckhaft
< 0,28
stark druckhaft.
In sproden Gesteinen konnen auch schlagartig aUftretende Spannungsumlagerungen vorkommen.
II
-110 m
1
o
o
In einem druckhaften Gebirge sind die auf den Tunnelausbau wirkenden Lasten so groB, dass eine wirtschaftliehe Bemessung eines steifen Spritzbetonausbaus in der Regel nieht mehr moglich ist. Der Ausbau wird deshalb nach dem Nachgiebigkeitsprinzip dimensioniert (s. Abschn. 17.8.1). Es kommt zu relativ groBen Verformungen, die eine duktile Stiitzung des Gebirges erforderlich machen. Durch die dabei erfolgten Verformungen werden die Gebirgsspannungen soweit reduziert, dass der Ausbau die verbleibenden Beanspruchungen aufnehmen kann und eine hinreiehende Stiitzung des Gebirges erreieht wird. Der Lastfall echter Gebirgsdruck wird in erster Linie durch groBe, langer anhaltende Verformungen angezeigt. Sie erreiehen bei flachliegenden Tunneln GroBenordnungen 30-50 cm und mehr, bei tiefliegenden Tunneln oft > 1 m. Derartige Verformungen sind haufig auch von Sohlhebungen begleitet, die anfangs oft nicht erkannt werden. In den letzten Jahren haben Projekte mit druckhaftem und z. T. stark druckhaftem Gebirge deutlieh zugenommen (JOHN & MATTLE 2007). In tektonischen Storungs- und Zerriittungszonen ist nach heutigem Kenntnisstand maBgebend, ob es sich urn Scherbruchzonen mit Gebirgsauflockerung i. S. von NAUMANN & PRINZ (1989) und PRINZ & MICHAEL (1998) mit mangelhafter Gebirgseinspannung handelt oder nieht (s. Abschn. 3.4.3.2 und 3.4.4). In solchen Fallen
17.5 Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges
muss mit groBen Verformungen und gegebenenfalls mit mehr als 20 m hoch reichenden Auflockerungsglocken gerechnet werden. In nicht zu breiten Storungs- und Zerriittungszonen ohne solche Gebirgsauflockerung werden sich hingegen gewolbeartige Verspannungen einstellen, die den auf den Tunnel wirkenden Druck auf eine Bruchhohe von 10 bis 20 m begrenzen. In breiten Storungszonen kann ebenfalls echter Gebirgsdruck auftreten mit entsprechend groBen, allseitigen Verformungen, die schwer zu beherrschen sind. Der Einfluss von Kluftkorpern kann nur im Einzelfall beurteilt werden. Liegt die KluftkorpergroBe im Dezimeterbereich, so konnen im Vergleich zur Hohlraumabmessung in der Regel isotrope Verhaltnisse angenommen werden. Mit den abgeminderten Werten der Festigkeit und Steifigkeit wird der Einfluss der Trennflachen pauschal beriicksichtigt. Dariiber hinaus ist die Standsicherheit der Tunnellaibung gegen die Druckwirkung einzelner groBerer Kluftkorper aus dem Gebirgsverband (ausgenommen sog. Extremblocke) durch die Spritzbetonschale und die Systemankerung gegeben. Der horizontal wirkende Gebirgsdruckanteil wird bei rechnerischen Untersuchungen in der Regel iiber den Seiten- oder Ruhedruckbeiwert Ko beriicksichtigt. Er wird iiblicherweise als unterer und oberer Grenzwert angesetzt. Alternativ kann auch die Poissonzahl angegeben werden (s. Abschn. 17.5.2.1). 1st aufgrund eines erhohten Horizontalspannungsanteils (s. Abschn. 2.6.9.1) oder ungiinstig einstreichender Flachen eine stark asymmetrische Belastung zu erwarten, so ist ein entsprechender Lastfall zu untersuchen. Eine erhohte Horizontalspannung kann auf Schichtflachen seitlich iiber eine Querschnittsbreite hinausreichende Bewegungen auslosen (WITTKE 2009). In Gebirgen mit Horizontalspannungsiiberschuss konnen sich an groBeren Storungs- oder Verwerfungsflachen die rezenten Gebirgsspannungen konzentrieren und konnen bei ortlicher Entlastung durch den Tunnelausbruch zu erhohten Beanspruchungen bzw. Deformationen und auch zu einem Bruchversagen der Spritzbetonschale fiihren. Einen wesentlichen Beitrag zur Erhohung der Tragfahigkeit bewirkt in der Regel ein schneller Ringschlnss, sei es in Form einer temporaren Kalottensohle oder als Ringschluss im Gesamt-
541
system in Form eines Sohlgewolbes aus Spritzbeton oder Ortbeton. Ein Ringschluss iiberfiihrt den zunachst offenen und verformbaren Querschnitt in eine geschlossene und wesentlich steifere Form. Die Spritzbetonschale erhalt eine groBere Auflagerflache, was die Gesamtverformungen meist deutlich abmindert oder zum Stillstand bringt. AuBerdem wirkt ein Ringschluss bei erhohtem horizontalem Gebirgsdruck als Druckriegel. Bei oberflachennahen Tunneln und in gebrachern bis druckhaftem Gebirge bzw. bei Scharung ungiinstig einstreichender Trennflachen ist der Nachweis der Standsicherheit des KalottenfuBauflagers nach der Grundbruchtheorie sowie der Nachweis der Ortsbruststabilitiit zu fiihren (s. KATZENBACH & STRUBER 2004, darin Lit.). Die Standsicherheit der Ortsbrust ist ein wesentliches Kriterium fiir die Gesamtsicherheit eines Tunnelvortriebs. Mit den Bestrebungen, Tunnel kiinftig zunehmend im Vollausbruch aufzufahren, gewinnen dieser Nachweis, eine messtechnische Kontrolle der Ortsbrust (s. Abschn. 17.5.3) und die technischen MaBnahmen zur Stabilisierung der Ortsbrust (s. Abschn. 17.8.1) an Bedeutung. Der Spannungszustand bzw. die Spannungsumlagerungen an der Ortsbrust werden beeinflusst yom Entspannungsprozess des Gebirges vor der Ortsbrust, dem Trennflachengefuge, den Gebirgseigenschaften und dem Vortriebskonzept. Grundlage fiir die Nachweisverfahren an ebenen oder raumlichen Gleitkorpern sind Angaben iiber das Trennflachengefiige, iiber kinematisch mogliche Bruchkorper bzw. den Versagensmechanismen (Abb. 17.48) sowie iiber die Reibungswinkel und die Kohasion des Gebirges und an moglichen Gleitflachen. Die Praxis zeigt jedoch, dass Instabilitaten an der Ortsbrust kaum einmal nach derartigen Modellen auftreten, sondern meist auf Grund ungiinstig einstreichender Flachen abgeminderter Scherfestigkeit, was durch die Rechnung meist nicht abgedeckt ist. Haufig liegen die maBgebenden Flachen auBerhalb der bisherigen Ausbruchlaibung. Ortsbrustversagen kiindigt sich haufig (aber nicht immer) durch starkere Verformungen, wiederholten kleinen Ausbriichen bzw. nachbrechendem Gestein und Z. T. auch durch Gerausche an. GroBere Verschiebungsraten konnen besonders bei groBen Vortriebsgeschwindigkeiten auftreten.
17
542
17 Tunnelbau
17 ?
Abb. 17.48 Typische Versagensmodelie bei oberfliichennahen Tunnelvortrieben (nach EGGER & SCHUKOFF
2007).
I Gebrauchszustand IIVersagenszustand
17.5.5.2 Bemessungswerte fUr N merisrhe Berer:hnungeon Das Ziel der Standsicherheitsuntersuchungen fUr Tunnel, namlich die ausbruchsbedingten Spannungsumlagerungen im Gebirge und die daraus resultierenden Verformungen der Tunnelschale und an der Geliindeoberfliiche sowie die Belastung und die Bemessung der Spritzbetonschale und die Dimensionierung der Sicherungsmittel einschlieBlich einer vorauseilenden Sicherung moglichst realistisch zu erfassen, wird am besten mit numerischen Berechnungsmethoden erreicht. Dabei hat sich die Finite-ElementMethode (FEM) als Standardverfahren durchgesetzt (s. Abschn. 5.2). Grundlage dieser Rechentechnik ist eine systematische Unterteilung der Berechnungsfliiche in (kleine) Elemente endlicher GroBe (finite Elemente), die durch randliche Knotenpunkte miteinander verkniipft sind und deren Verhalten unter Belastung iiber die Knotenpunktverschiebungen ermittelt wird (Abb. 17.49). Fiir gekliifteten Fels haben sich elastischviskoplastische Stoffmodelle bewiihrt (s. Abschn. 5.2). In der Praxis werden meist noch zweidimensionale Berechnungsverfahren verwendet, bei denen durch vereinfachte Annahmen versucht wird, das riiumliche Tragverhalten niiherungsweise zu erfassen (z. B. Vorentlastung, s. u.). Sofern die Stiitzmittel in die Rechnung einbezogen werden, konnen die einzelnen Steifigkeiten bzw. Festigkeiten addiert werden, wobei allerdings der jeweilige Einbauzeitpunkt zu beachten ist. Fiir eine wirklichkeitsnahe Erfassung des Spannungsdehnungsverhaltens von kliiftigem Fels miissen neben der Gesteinsdruckfestigkeit, die gegeniiber dem Gestein deutlich groBere Verformbarkeit und geringere Festigkeit des Gebir-
II
IVersagenszustand III
ges auf den Trennfliichen beriicksichtigt werden. Dazu gehort zuniichst ein vereinfachter Gebirgsbau mit Angabe eines Modells des TrennfliichengefUges. Hinzu kommen dann im Bedarfsfall die Kenntnis des primiiren Spannungszustandes und Angaben zur Grundwasserstromung. Die verschiedenen Gebirgseigenschaften konnen beispielsweise wie folgt vereinfacht werden: Kleinkliiftigkeit (als "verschmierte" Steifigkeitsabminderung) TrennfliichengefUge (z. B. Schichtung und Hautkluftscharen) Einzelne GroBkluft- oder Storungszonen mit abgeminderten Kennwerten Wasserdruck und Wasserstromung und ggf. zeitabhiingige Kriech- oder Quellerscheinungen.
Abb. 17.49 Berechnungsmodell nach der Finite-Element-Methode (a us NAUMANN & PRINZ 1988).
543
17.5 Standfestigkeit und Tragverhalten des Gebirges
Die verwendeten Stoffmodelle (elastisch-plastisches oder elastisch-viskoplastisches Spannungsdehnungsverhalten) sollten moglichst wenige Eingangsparameter enthalten, die auch mit den geotechnischen Standardversuchen bestimmbar sind (s. Abschn. 5.2). Durch Variation einzelner Parameter kann deren Einfluss iiberpriift werden. 1m Allgemeinen sind folgende Kennwerte anzugeben (charakteristische Werte und untere Grenzwerte): Wichte des Gebirges rOn kN/m 2) Poissonzahl v (bzw. Querdehnungszahl) oder Ruhedruckbeiwert Ko Verformungsmodul V oder Bv (in MN/m 2) Bettungsmodul ks (in MN/m 3 ) Gesteins- bzw. Gebirgsfestigkeit qu (in MN/m 2) Gebirgsscherfestigkeit ((i, C (in 0, kN/m 2) Scherfestigkeit auf Trennflachen ((is' Cs bzw. ((ik' ck (in 0, kN/m 2) Vorentspannungsfaktor 0,3-0,5 (30-50 %)
interpretiert und angepasst werden (sog. back analysis). Ein weiterer Begriff fUr die Tunnelstatik ebener Systeme ist die Vorentlastung bzw. Vorentspannung. Darunter versteht man den Lastanteil, der als Folge der raumlichen Spannungsumlagerung im Bereich der Ortsbrust und der dadurch bedingten vorauseilenden Verformungen schon vor dem Einbringen des Spritzbetonausbaus seitlich des Querschnitts und in Langsrichtung abgetragen worden ist und somit den Ausbau nicht mehr belastet. Dieser Effekt der Vorentlastung wird bei zweidimensionalen Berechnungsverfahren durch eine Abminderung der Stiitzkrafte (Stiitzlastverfahren) bzw. durch eine E-Modulreduktion (Stiitzkernverfahren) in die Tunnelstatik eingebracht. Die Angabe der Vorentspannung erfolgt iiber den Abminderungsfaktor (auf etwa 0,5-0,8). Er hangt ab yom Gebirgsverhalten, von der Vortriebsart bzw. Abschlagslange (be ide bedingen Vorverformung; keine Vorverformung bedeutet einen Faktor ,,0" mit nur geringen Spannungsumlagerungen), der Dicke und dem Zeitpunkt des Einbaus der Spritzbetonschale. Durch eine hohere Vorentspannung ergeben sich geringere Ausbauwiderstande bzw. eine geringere Beanspruchung der Spritzbetonschale und somit nominell hOhere Sicherheiten, die aber nicht fUr das Gesamtsystem Ausbau/Gebirge gelten. Auch bei der Anwendung numerischer Berechnungsmethoden muss man sich dariiber im Klaren sein, dass trotz des rechnerischen Aufwandes keine absoluten Rechenergebnisse erwartet werden diirfen. Der Grund sind die mehr
Haufig werden allerdings nur die Gesteinsdruckfestigkeit qu (in MN/m 2 ) Gebirgsmodul (E-Modul) (in MN/m 2) Trennflachenscherfestigkeit ((is' cs; ((ik' ck (in ° bzw. kN/m2) angegeben (s. Tab. 17.10). 1m Bereich der Auflockerungszone urn den Tunnel ist ggf. ein abgeminderter E-Modul anzusetzen. Die Kennwerte sollten im Zuge der BauausfUhrung iiberpriift und auf der GrundIage von Riickrechnungen anhand der Verformungsdaten
Tabelle 17.10 Zusammenstellung einiger Kennwerte fOr FE-Berechnungen aus der Literatur.
1)
Unterer Muschelkalk
Oberer Muschelkalk
Unterer Keuper
Engstandige Wechselfolge
Oberwiegend Kalksteln
Wechselfolge 100- 300 11
E [MN/m 2]
50-100'1
100- 400 21
400- 1000
50- 100'1
Gestein q. [MN/ml ]
0,5- 10'1
5- 50 11
20-100
5 - 30
Trennflachen
Schichtung
Kliiftung
Schichtung
Kliiftung
Schichtung
KlUftung
rp [0]
15-20
25- 30
20- 25
30-35
15- 30
20- 25
c {kN/m2]
0
0-10
0
0-20
0
0- 30
Fels mGrbe, entfestigt 2) Fels gesteinshart, unverwittert
7
544
oder weniger unzureichend bekannten Stoffgesetze, die Streuung der Eingangsparameter sowie das Problem, das raumliche Tragverhalten und die einzelnen Ausbruchsfolgen rechnerisch zu erfassen. In die Berechnung gehen zunachst charakteristische Gebirgskennwerte ein. Legt man in Parameterstudien untere Kennwerte bzw. deren ungiinstigste Kombination zugrunde, so ist ein rechnerischer Nachweis oft nicht mehr moglich bzw. ergibt vollig unwirtschaftliche Abmessungen, die auBerhalb aller Erfahrungen liegen. Lokal begrenzte Schwachstellen im Gebirge, die haufig zu kritischen Bauzustanden fiihren, konnen mit statischen Berechnungen in der Regel nicht erfasst werden (KIRSCHKE 1991). Dementsprechend sollten Erfahrung und Messung sowie konstruktive MaBnahmen vor Ort neben den Berechnungen gleichrangig bewertet werden. Wasserdruck wird auf den Spritzbetonausbau in der Regel nicht angesetzt. Es sei denn, es ist infolge von Stauhorizonten mit Sohlwasserdruck (Auftrieb) zu rechnen. Bei ungedranten, undurchlassigen Tunnel(innen)schalen muss ein Wasserdruck beriicksichtigt werden, der sich aus der Hohe des Bemessungswasserstandes ergibt (Abschn. 17.2.5.2) und sich iiber den gesamten Umfang auswirkt. Das Gebirge unterhalb des Grundwasserspiegels steht unter Auftrieb. Bei tiefen Tunneln sind die wichtigsten Einflussfaktoren meist die Oberlagerungshohe und die Wasserverhaltnisse. Hinzu kommen in der Regel zusatzliche Erschwernisse durch die groBeren Unsicherheiten des geologisch-geotechnischen Gebirgsmodells und in der Bestimmung realistischer Kennwerte iiber das Gebirgsverhalten, das in dies en Tiefen haufig duktil ist. Die Prognose der zulassigen Verformungen muss unter Anwendung der Beobachtungsbauweise iiberwacht und das geotechnische Modell und die Kennwerte jeweils angepasst werden.
17.5 5.3 Annahmen fur die Innenschale Beim Tunnelbau unterscheidet man drei Phasen, den Vortrieb, die Ausbruchssicherung und die Herstellung der Innenschale. Die Herstellung der Innenschale erfolgt entweder durch einen einschaligen Ausbau in Spritzbeton (Kavern en, Stollen, seltener Verkehrstunnel) bzw. bei einem
17 Tunnelbau
maschinellen Vortrieb mit Tiibbingen, oder durch einen zweischaligen Ausbau mit einer gebirgssichernden temporaren AuBenschale (meist Spritzbeton, z. T. auch Tiibbinge) und einer tragenden Innenschale aus bewehrtem oder unbewehrtem Schalbeton. Bei bewehrten Innenschalen kann die Abdichtung sowohl durch wasserundurchlassigen Beton (WU-Beton) als auch durch eine auf die AuBenschale aufgebrachte Kunststoffdichtungsbahn (KDB) erreicht werden (s. Abschn. 17.2.5.4). Die einschalige Bauweise in Spritzbeton setzt sich zusammen aus dem primaren Sicherungsspritzbeton und ein oder zwei Lagen Ausbauspritzbeton als innere Verkleidung (WILLIAMS et al. 2004). An den Spritzbeton fUr die Innenschale werden erhohte Anforderungen gestellt, u. a. ein gutes Haftvermogen auf der Abdichtungsfolie. Bei der zweischaligen Bauweise ist fUr die Bemessung der Innenschale in der Regel davon auszugehen, dass zum Zeitpunkt ihres Einbaus die Verformungen im Gebirge zur Ruhe gekommen sind und der Grundwasserspiegel abgesenkt ist. Die Innenschale wird zunachst spannungsfrei in die Spritzbetonschale eingebaut. Sie bekommt erst Last, wenn das Grundwasser wieder ansteigt und wenn die AuBenschale durch Betonkriechen und Festigkeitsverluste (z. B. infolge aggressiven Grundwassers) mit der Zeit ihre Tragf 30%) bzw. in Tongesteinen mit guter Zerfalls- und Verbreiungsfahigkeit eingesetzt (s. Abb. 17.58 und Abschn. 17.2.9), die auf Grund der Verbreiung extrudierbar sind, d. h. mit einer Forderschnecke aus der Abbaukammer gefOrdert werden konnen. Der Erdbrei aus abgebautem Bodenmaterial muss dazu eine weiche bis breiige Konsistenz aufweisen (Ie = 0,4-0,75), ein hohes Wasserbindevermogen, eine geringe innere Reibung und eine geringe Wasserdurchlassigkeit. Der Autbereitungsprozess des anstehenden Bodens zu einem effizienten Stiitzmedium wird durch Zugabe von Konditionierungsstoffen unterstutzt. Bei feinkornigen Boden werden in der Regel Wasser, Polymeroder Bentonitsuspensionen zugesetzt. In grobund gemischtkornigen Boden werden ublicherweise Schiiume (Tenside und andere Zusatzmittel) verwendet. Diese verringern in Tonboden auch
6.0
20
60
Abb. 17.58 Typische Anwendungsbereiche von FIGssig- und ErddruckstGtzung.
die Verklebungserscheinungen (s. GATTERMANN & KIEHL 2004; LANG MAACK 2006 und bes. THEWES & BUDACH 2010). Bei der Auswahl der Bodenkonditionierungsmittel ist deren Auswirkung auf die Umwelt zu beachten (Abschn. 17.2.7). Ansatze fur toxikologische und okologische Untersuchungen und erste Ergebnisse bringen LANGMAACK (2006) und EGLI & LANGMAACK (2008). Durch eine dem Untergrundautbau angepasste Auswahl und Steuerung der Konditionierungsstoffe uberschneiden sich heute die Anwendungsbereiche der beiden Vortriebsverfahren weitgehend. Es sind inzwischen sowohl SlurryTBM als auch EPB-TBM in tonigen Boden und auch in stark durchlassigen Kiesboden eingesetzt worden (MAIDL 2001; BABENDERERDE 2003; THEWES 2004; GATTERMANN & KIEHL 2004). Mit den gangigen Schildmaschinen konnen Wasserdriicke bis zu 3-4 bar beherrscht werden. Bei hoheren Drucken muss en sowohl die Vortriebsmas chine als auch der Tubbingausbau auf diese Randbedingungen ausgelegt werden (HOLZHAUSER et al. 2007). Die technische Entwicklung der Schneidwerkzeuge (auch Disken am Schneidrad) zum Abbau von felsartigen Einlagerungen an der Ortsbrust oder von Findlingen sowie Steinbrecher in der Sohle des Schildes zum Zerkleinern von Steinen und sonstige MafSnahmen zur Hindernisbeseitigung haben die Einsatzmoglichkeiten und die Leistung von Schildmaschinen wesentlich verbessert. Dazu kommen Ausriistungen zur Vorauserkundung und zur Gebirgsverbesserung (KOGLER 2008). Wahrend fur die Durchfuhrung
556
von Erkundungsbohrungen das Schneidrad der TBM in der Regel stillstehen muss (s. a. MULLER et a1. 2010), sind die Messgerate fur das seismische Vorauserkundungssystems SSP (Seismic Softgound Probing) im Schneidrad der Schildmas chine integriert. Die Messung erfolgt ohne den Vortrieb zu unterbrechen. Die derzeitigen Verfahren sind aufVortriebe mit fliissigkeit- bzw. bentonitgestiitzter Ortsbrust beschrankt. 1m praktischen Einsatz werden zwar Erkundungsweiten bis 40 m erreicht, mit zunehmender Entfernung nimmt aber das Auflosungsvermogen abo ErfahrungsgemaB lassen sich bis 20 m vor der Ortsbrust Objekte von etwa 1 m GroBe erkennen, wie Gesteinsblocke, Karsthohlraume oder markante Grenzflachen (s. GEHRIG et a1. 2008, 2010). Ein Mixschild, auch Multi-Mode-Machine genannt, ist eine konvertierbare Schildmaschine mit aktiver Ortsbruststiitzung, bei der in heterogenem Baugrund der Betriebsmodus nach Bedarf umgestellt werden kann: Hydroschild mit fliissigkeitgestiitzter Ortsbrust Schild mit erddruckgestiitzter Ortsbrust Halboffene TBM mit Bandaustrag. Der Wechsel zwischen den verschiedenen Betriebsarten erfolgt im Tunnel. Die Notwendigkeit einer Umstellung der Vortriebsart muss aber vorab eingeplant sein (WEH et a1. 2009; LEHMANN & BAPPLER 2010). HERREN KNECHT et a1. (2009) beschreiben den Einsatz eines Mixschildes fiir den Abbau im offenen Hartgesteinsmodus mit hohen Druckfestigkeiten und blockigen Ortsbrustverhaltnissen sowie fUr einen Lockergesteinsvortrieb im geschlossenen Slurry-Modus bei hohem Wasserdruck. Die Maschinendurchmesser betragen heute sowohl bei Hartgesteins-TBM als auch bei Schildmaschinen 10-15 m. Die groBten Durchmesser der letzten Jahre waren: Zweite Rohre Elbtunnel Hamburg und StraBentunnel Moskau (Mixschild) = 14,2 m Eisenbahntunnel Rotterdam-Briissel (Hydroschild) = 14,87 m Autobahntunnel Madrid (EPB-Schild) 15,2 m (2005/06)
Niagra Wassertunnel (Hartgesteins-TBM) 14,44 m (2007/2008)
Unterquerung des Yangtze, Shanghai (Mixschild) = 14,93 m (2007/2009)
17 Tunnelbau
StraBentunnel Chongming/Shanghai (Mixschild) = 15,49 m Dreispuriger Autobahntunnel Bologna -Florenz (Erddruckschild) = 15,55 m (2011). Bei den statischen Berechnungen fUr einen Schildvortrieb ist zu unterscheiden zwischen der Berechnung der Tunnelrohre im Endausbau (meist Tiibbingausbau) und der statischen Berechnung der Vortriebsmaschine gemaB DAUB-Empfehlung 2005. In den statischen Berechnungen fiir den Tiibbingausbau wird von der Annahme ausgegangen, dass der Tiibbingring iiber den gesamten Umfang gebettet ist. 1m Wesentlichen sind folgende Einwirkungen zu beriicksichtigen: Oberlagerungshohe bzw. Auflockerungsdruck Eigengewicht Erddruck, Wasserdruck, Verpressdruck Stiitzdruck in der Abbaukammer ggf. Gebirgsdruck, Quelldruck. Die maBgebenden Gebirgskennwerte dafiir sind: Wichte y (in kN/m2) Scherparameter cp, c (in 0, kN/m 2) Steifemodul E, (in MN/m 2 ) Ruhedruckbeiwert Ko Einaxiale Druckfestigkeit qu (in MN/m 2 , MPa) ggf. Gebirgsdruck, Quelldruck. Die vertikale Auflast wird in der Regel vereinfacht als gleichformige Last auf die Schildmaschine angesetzt. Ab einer Uberdeckung von H > D darf eine Abminderung in Anlehnung an die Silotheorie beriicksichtigt werden (Teilsicherheitsbeiwerte s. o. Empfehlung). Die Tunnelauskleidung erfolgt im Schutze des Schildschwanzes in der Regel einschalig mit vorgefertigten wasserundurchlassigen Betontiibbingen mit oder ohne eingeklebten ElastomerDichtungsprofilen in den Langs- und Ringfugen. Bei zweischaligem Ausbau mit (diinneren) Stahlbeton-Tiibbingen und einer Ortbetoninnenschale kann zur Abdichtung auch eine Kunststoffdichtungsbahn dazwischen verlegt werden. Geschwei6te Stahltiibbinge oder Gusstiibbinge werden nur noch fiir Sonderkonstruktionen verwendet (Anschliisse zu Notausstiegen oder Zugangen). Die Vortriebsgeschwindigkeit von Schildmaschinen ist nicht nur von der Gebirgsqualitat
17.6 Bauweisen
abhangig sondern auch von weiteren Einfliissen, wie der (manuellen) Steuerung der Maschine bei weichen/harten Mischboden und Einschrankungen bei der Abforderung (s. a. TARKOY 2009; MAIDL & WINGMANN 2009). Von einem Hydroschildvortrieb in stark abrasiven Gebirge mit aufwendigen Werkzeugkontrollen und -wechseln unter Druckluft berichtet KOHLER (2009). Die durchschnittlichen Vortriebsleistungen liegen bei taglich 18 Stunden Betriebszeit bei 10-20 m/ AT, mit Spitzenleistungen bis 60 m/ AT und mehr. Schwierige, bzw. fUr den eingesetzten Maschinentyp ungiinstige geologische Verhaltnisse (auch Grundwasser), konnen die Vortriebsleistung auf weniger als 5 m/AT reduzieren (s. SCHMID 2006). Schildvortriebe gelten allgemein als setzungsarmes Bauverfahren, obwohl auch dabei aufgrund der unvermeidbaren Entspannung des Gebirges mit Verformungen gemaB Abschn. 17.5.3 zu rechnen ist, und zwar sowohl mit gewissen vorlaufenden Verformungen als auch einer mehr oder minder starken Verformung im Schildbereich unmittelbar nach dem Durchgang des Bohrkopfes sowie danach im Ringspaltbereich. Auf Abb. 17.59 sind der Ablauf der Setzungen und die moglichen Ursachen im Einzelnen zusammengestellt. Auch die Dberlagerungshohe und eventuelle Stillstandszeiten haben Einfluss auf das Setzungsverhalten. Die freie Standzeit des Gebirges bis zum Einbau des Tiibbingrings und der Ringspaltverfiillung lasst in begrenzten Umfang Deformationen zu (Ringspaltbreite s. Abschn. 17.6.4.1). Die moglichen Gesamtsetzungen eines Schildvortriebs werden je nach Untergrundverhaltnissen mit bis zu 2 Vol.-% des Ausbruchsquerschnitts angegeben. Bei einem Durchmesser von 10 m wiirde dies einer Setzungsmulde mit bis zu 10 em Setzung iiber der Tunnelfirste entsprechen. Durch setzungsmindernde MaBnahmen, wie die Verminderung der Bohrkopfdrehzahl und der Vortriebsgeschwindigkeit sowie die Erhohung des Vorschubdruckes, kann dieser Wert etwa halbiert und durch ZusatzmaBnahmen auf < 0,5 Vol.-% gedriickt werden (SCHUBERT & RIEKER 2004). Zu diesen MaBnahmen gehort nicht zuletzt auch die Erfahrung der Vortriebsmannschaft, die iiber die Justierung weiterer Maschinendaten wesentlich zur Verminderung der Verformungen beitragen kann (GABENER et al. 2010). Der Anteil der
557
vorauseilenden Verformungen (Abb. 17.59) liegt in der GroBenordnung von 5-40%. Sie werden maBgeblich yom Stiitzdruck an der Ortsbrust bestimmt, der allerdings nicht beliebig erhOht werden kann (Gefahr von Hebungen oder Bodenaufbriichen). Die Setzungen im Schildbereich sind verfahrensbedingt in erster Linie durch den Ringspalt beeinflusst und wenig kontrollierbar. Durch die Ringspaltverpressung konnen die nachlaufenden Setzungen reduziert werden. Insgesamt sind die Methoden zur Setzungsprognose nicht zufriedenstellend. FIKKIBECK & VOGT (2010) bringen ein empirisches Verfahren zur Ermittlung der Setzungsmulde oberflachennaher Tunnelvortriebe in Lockergesteinen anhand des Volumenverlusts infolge des Mehrausbruchs beim Vortrieb. Die bauwerksvertraglichen Setzungen fiir den Vortrieb zweier Rohren werden meist mit 20 bis 30 mm angenommen. Anhand der Beurteilung der unter verschiedenen Annahmen berechneten Setzungen bzw. Setzungsmulden und Setzungsdifferenzenzen sowie einer auf die Empfindlichkeit der Gebaude bezogenen Risikobetrachtung miissen die Entscheidungen iiber Zusatz- und SicherungsmaBnahmen, wie Fundamentsicherung durch Unterfangung (z. B. mittels Diisenstrahlverfahren), Verfestigungsinjektionen oder Kompensationsschirme (s. Abschn. 17.8.4) rechtzeitig vor der Schildfahrt in dem entsprechenden Bereich getroffen werden (s. MAYER et al. 2004; BUCKER et al. 2006; FILLIBECK &VOGT 2010).
176.43 Ems tzb dmgung n merTVM Die DAUB-Empfehlung 1997 beschreibt die Einsatzmoglichkeiten der TVM in Bezug auf die geologischen Verhaltnisse. Der Einsatz von Tunnelvortriebsmaschinen setzt mehr noch als konventionelle Vortriebsmethoden eine sorgfJOm
I
Abb. 18.3 Zulassige Grenzwerte bei der WasserdruckprGfung (aus HEITFELD 1979).
Bei der Festlegung der Grenzwerte fur die WD-Ergebnisse sind folgende Faktoren zu beachten: Projektbedingungen (StauhOhe, Wasserverluste) Standsicherheit des Absperrbauwerks (einschlieBlich Sohlwasserdruck und Erosion)
~
Kalkstcm
ISil
Tonschlcfer mit Kalkemlagcn
~
verkarsteter Kalkslem
geologische Verhaltnisse Injizierbarkeit des Gebirges mogliche Auswirkungen auf Dritte, etwa durch weitflachige Anhebung der Grundwasseroberflache, auch in Nebentalern (Abb. 18.4).
l ..... Wasserverluste
Sc.l, lO.. tO-"'O=_.....O,;.O='"~IOO reel
!il:a massiger Kalkstem
Abb. 18.4 Wasserverluste aus dem Stauraum und Quellaustritte in benachbarten, tiefer gelegenen Talern (nach GOODMAN
1993).
586
1
Auf den Ergebnissen der WD-Tests aufbauend werden haufig Probeinjektionen vorgenommen, deren DurchfUhrung im Abschn. 18.4.3 behandelt ist.
18.2.2 Ermittlung der Sickerwasserverluste Die Sickerwasserverluste im Stauraum infolge Unterlaufigkeit und Umlaufigkeit sind abhangig von der iiberstauten Flache Stauhohe Grundwasserstand im Staubereich Machtigkeit der abdichtenden Schichten Durchlassigkeit des Untergrundes, ausgedriickt durch den Durchlassigkeitsbeiwert k. Untersuchungen fUr Talsperrenbauten in den verschiedensten Gebirgstypen haben gezeigt, dass in einer oberflachennahen Auflockerungszone das wirksame Kluftvolumen und damit die Wasserzirkulation durch zusatzliche und aufgeweitete Trennflachen wesentlich groBer ist als im tieferen Untergrund. Ihre Intensitat und Tiefenwirkung hangen ab von der Entwicklungsgeschichte des Landschaftsreliefs, der Exposition (Tal, Hang, Hochflache), der tektonischen Beanspruchung und den Lagerungsverhaltnissen sowie der Gesteinsausbildung und Verwitterung. Die Wasserverluste aus den Becken hangen zunachst davon ab, ob bei tiefliegendem Grundwasserstand eine Vertikalversickerung stattfinden und sich der Speicherraum zwischen Grundwasseroberflache und dem Stauniveau auffUllen kann, oder ob mit einem standigen Abfluss zu rechnen ist. Durch die Aufhohung des Grundwasserstandes treten auBerdem FlieBvorgange nach den Seiten, zum Unterwasser und in etwaige tiefer gelegene Nachbartaler auf (Abb. 18.4). Grundsatzlich ist dabei zu priifen, ob groBfliichige Versickerungen vorliegen, die mit einem mittleren Durchlassigkeitsbeiwert erfasst werden konnen, oder ob die Versickerung auf einigen wenigen Wasserwegen stattfindet, die gezielt gedichtet werden konnen. Langfristig kann hierbei auch eine gewisse Selbstdichtung des Beckens, vor allen Dingen des Stauraumbodens, angenommen werden.
18 Talsperrengeologie
GroBflachige Sickerwasserverluste konnen iiberschlagig nach folgender Formel berechnet werden (Rechenbeispiel s. HOLTZ & SCHOPPE 1978):
k·F-D Q=-d
k
=
Durchlassigkeitsbeiwert
Q = Versickerungsmenge (m3/s) F = Stauflache (m2 )
d = Dicke der abdichtend wirksamen Schicht (m) D = mittlere StauhOhe + d (m). Die auf dieser Basis ermittelten Versickerungsverluste sind jedoch nur grobe Anhaltswerte, die mit den spater gemessenen Versickerungsraten haufig keine Ubereinstimmung zeigen. Sie bilden jedoch zusammen mit der Frage des Druckabbaues und des Erosionsverhaltens die Entscheidungsgrundlage fUr die notigen DichtungsmaBnahmen an einer Stauanlage. LINORTNER et al. (2009) nennen als MaB fUr die maximal akzeptable Sickerwassermenge 1% der mittleren Zuflussmenge.
18.2.3 Raumstellung der Wasser leitenden Elemente Die Raumstellung wasserleitender oder wassersperrender Elemente zu dem erwarteten Sickerwassergefalle hat ganz entscheidenden Einfluss auf die Sickerwasserverluste und auch auf die Standsicherheit des Absperrbauwerks. Dazu gehoren: tektonische Storungs- und Zerriittungszonen, besonders auch Zonen mit tektonischer Gebirgsauflockerung (s. Abschn. 3.4.3.2 und 17.2.3).
HangzerreiBungskliifte, die zwar fast immer tektonisch vorgegebenen Trennfliichen folgen, in ihrer Offnungsweite aber sehr yom Gestein und der Hangneigung abhangig sind (s. Abschn. 3.4.3.2). Wechselschichtung von starker durchliissigen Gesteinen (Sandstein, Kalkstein) und tonigen Schichten. Die tonigen Schichten wirken normal zur Schichtung wassersperrend, und selbst Kliifte weisen eine erheblich geringere
18.2 Spezielle Problemstellungen
587
18
.. ~~. ~,--
Abb. 18.5 Abhangigkeit der Unterstr6mung von Stauanlagen von der geologischen Situation (a us
ZARUBA
&
MENCL 1961).
Wasserwegsamkeit auf als in sproden Gesteinsarten. Schichtparallel bietet dagegen eine solche Wechselfolge gute Sickerwege (Abb. 18.5 u. Abschn. 2.8.5) unregelmaBige Abfolgen von Sedimenten oder von feinkornigen Tuffen mit Basaltdecken und -stromen.
Ersosions- bzw. Suffosionsvorgange in Lockergesteinen und an Schichtgrenzen bzw. Bauwerksfugen Erosion von KluftfUliungen und Storungsmyloniten sowie Erosion an Trennflachen weniger verfestigter Gesteine
Bei den UberJegungen bezuglich wasserleitender Elemente ist besonders in palaogeographischen Schwellen - oder Rinnenbereichen, aber auch in weiten Schwemmebenen, an einen engraumigen Fazieswechsel in horizontaler Richtung zu denken. Als vertikale durchlassige Einlagerungen kommen z. B. auch Basalt - oder Quarzgange in Betracht.
und den hydraulischen Faktoren, wie dem hydraulischen Gef.me und der wahren FlieBgeschwindigkeit (s. Abschn. 2.8.6) des sich in den Poren bzw. in den Fugen und Kluften bewegenden Wassers.
18.2.4 Erosionsgefahrdung durch Sickerwasserstromung Erosionsvorgange im Untergrund sind ein maBgebendes Kriterium bei der Frage, welche Durchlassigkeiten bei einer Talsperre noch vertraglich sind. Beim Abschatzen des Erosionsverhaltens des Gebirges ist grundsatzlich zu unterscheiden zwischen gebirgsbedingten Faktoren, wie
Die Grundlagen fUr Suffosions- und Erosionsvorgange in Lockergesteinen, die heute insgesamt als hydrodynamische Instabilitat bezeichnet werden, sind im Abschn. 2.1.6 ausfUhrlich behandelt. Die Suffosions- und Erosionsanfalligkeit der Lockergesteine ist abhangig von der KorngroBe, der KorngroBenverteilung (Ungleichkonigkeit, Wechselschichtung), der Lagerungsdichte bzw. der Plastizitat und Kohasion sowie der GroBe der Porenkanale. Bei einem Einstau erhoht sich das hydraulische Gefalle und mit ihm die daraus resultierenden Stromungskrafte. Bei Uberschreiten des kritischen Gefalles (i kti ,) konnen Korner aus dem Korngerust gelost werden und es kommt zu
588
1
18 Talsperrengeologie
einem Transport von Bodenmaterial (sog. Piping; s.a. DIN EN 1997-1, Abs. 10.5). Besondere Gefahr besteht bei luftseitigen Austrittsstellen. Die Ausspiilungen fUhren zu einer Reduktion der Standfestigkeit eines Dammes und im Extremfall zu einem ortliehen, daun progressiv fortschreitenden Dammbruch. Fiir die Beurteilung der Filterstabilitiit eines Lockergesteins werden geometrische und hydraulische Kriterien herangezogen. Die iiblichen Filterregeln basieren im Wesentlichen auf geometrischen Kriterien. Sie gelten jeweils nur unter bestimmten Voraussetzungen (s. Abschn. 2.1.6). Fiir bindige Boden mit Ip = 0,15 (mittelplastisch) und Cu < 10 kN/m 2 (schwach bindig) wird im Filtermerkblatt BAW MAK (1989) ein Filter mit DIO < 0,016 mm und D60 < 2 mm empfohlen. PERTLMEIER & HASELSTEINER (2006) bringen zahlreiche weitere Filterkriterien fUr einsetzende bzw. fortschreitende Erosion. Gewisse Kornumlagerungen sind auch bei gegebener geometrischer Filterstabilitat unvermeidlieh. Ausgelost durch Schadenfalle, besonders im Grenzbereich zwischen zwei Bodenkorpern (Kontakterosion), werden im Dammbau verstarkt hydraulische Kriterien zur Einschatzung der Erosionsgefahr herangezogen, die im Wesentlichen auf dem Zusammenhang zwischen dem Durchmesser der erodierten Partikel und der Stromungsgeschwindigkeit basieren. Die hydraulische Belastung kann entweder durch mittlere Gradienten entlang des gesamten Siekerwegs oder durch lokale Gradienten am Austrittspunkt des Siekerwassers beschrieben werden. Letztere konnen von der Stromungsgeschwindigkeit urn eine Zehnerpotenz abweichen (PERZLMEIER & HASELSTEINER 2006). Bei der Abschatzung der kritischen Flie:6geschwindigkeit war man auf Versuche und Beobachtungen in offenen Gerinnen angewiesen (EWERT 1985). Danach setzt die Erosion von Fein- und Mittelsanden bei einer Flie:6geschwindigkeit von 10 bis 15 cm/s ein. Schluffkorngro6en werden schon ab etwa 11 cm/s mitgerissen. Heute
liegen umfangreiche Studien iiber die Vorgange bei der inneren Erosion vor, auch mit theoretischen Ableitungen fUr das Versagen durch hydrodynamische Bodendeformation (PERZLMEIER & HASELSTEINER 2006). Danach konnen die Anhaltswerte fUr das zulassige Gefalle der Tabelle 18.2 weiterhin als kritischer hydraulischer Gradient verwendet werden (s. a. ANGERER & HOFMANN 2006). Die Kluftfiillungen, Storungsmylonite und auch Ruschelzonen eines Festgesteins sind ebenfalls meist feinkornige Lockergesteine, deren ma6gebende Korngro6en haufig im Schluff- und Fein- bis Mittelsandbereieh liegen. Hinzu kommt, dass hier durchaus Sickerwege und damit vorgegebene Erosionskanale in Form von offenen Kluftabschnitten oder solchen mit groberkornigen, besser wasserwegsamen Fiillungen vorliegen konnen. In der Praxis ist es deshalb schwierig, die ortlieh sehr unterschiedliehen wahren Flie6geschwindigkeiten in den Kliiften und Fugen einigerma:6en abzuschatzen. Markierungsversuche ergeben nur mittlere Abstandsgeschwindigkeiten. Erfahrungswerte aus dem Rheinischen Schiefergebirge sind in Abb. 18.6 zusammengestellt. Sie scheinen nach Untersuchungen im nordhessischen Buntsandstein auch auf andere Formationen iibertragbar zu sein. PRINZ & HOLTZ (1989) geben fUr die oberflachennahen, tonsteinreiehen Wechselfolgen im Einstauzustand Abstandsgeschwindigkeiten von 0,2 bis 0,7 cm/s an. 1m Talsperrenbau werden Abstandsgeschwindigkeiten fiir das Abschatzen der Erosionsgefahr mit einem Umwegfaktor von 1,5 verwendet, der beriicksichtigt, dass das Wasser wegen des verlangerten Flie:6weges urn die Kluftkorper herum tatsachlich schneller flie:6t (s. Abschn. 2.8.6 und Abb. 2.66). Unabhangig davon miissen bei allen Stauanlagen die Veranderungen der Wasserdurchlassigkeit des Untergrundes sowie Triibungen u. A. wahrend des Probestaus und auch in der Betriebszeit standig verfolgt werden. Sobald ortlieh auffallige Anderungen auftreten, ist zu priifen,
Tabelle 18.2 Anhaltswerte fOr das zulassige Gefalle an Talsperren. Boden
dichter Ton
schluffiger Ton
Schluff/Feinsand
Mittelsand
Grobsand Kies
zul. I
0,25- 0,5
0,20- 0,26
0,05- 0,15
0,15-0,20
0,25-0,35
589
18.2 Spezielle Problemstellungen
• •
10-8 10.5
I
i
10-8 10.3
"".
i
~~ i
10-4 10. 1
-.-
.~
~-
i
i
10.2
101
Verkarsteter Kalkstein Devoniseher Massenkalk Oberdevonisehe Kalke Loekerungszonen (Hange, Storungsbereiehe) Devoniseher Sandstein Devoniseher Tonsehiefer
II_~
•• ~.
••
I
I
100
10 3
i
I
102 Va [em/s] 10SVa [mid]
inwieweit diese mit Erosionsvorgangen zusammenhangen konnen.
18.2.5 Veranderlich feste oder erweichbare Gesteine Veranderlich feste oder erweichbare Gesteine (s. Abschn. 3.4.1), deren Eigenschaften sich unter Wassereinwirkung negativ verandern konnen (z. B. Aufweichen von Tonsteinen oder Mergeln) sind fUr die Anlage einer Talsperre wenig geeignet. Bei miirben Sandsteinen besteht auBerdem erhohte Erosionsgefahr. Hinzu kommt, dass veranderlich feste Gesteine sowohl beim WD-Test anders reagieren (HEITFELD & KRAPP 1985) als auch nach dem Freilegen der Felsoberflache innerhalb von Tagen und Wochen zu einem Grus von cm- bis mm-groBen Brockchen zerfallen konnen.
18.2.6 Erdbebensicherheit und induzierte Seismizitat Fiir Talsperren der Klassen 1 und 2 ist gemaB DIN 19700 eine iiber die Vorgaben der DIN 4149 (2005) hinausgehende seismologische Bewertung eines Standorts notwendig (s. Abschn. 4.2.3). Dies gilt sowohl fUr die Standsicherheit des Absperrbauwerks als auch fiir die Stabilitat der Hange (SCHWARZ er al. 2004). In DIN 19700 wird dabei eine Wiederholungsperiode fiir das Bemessungserdbeben von 1000 bzw. 2500 Jahren gefordert, was eine Neubearbeitung der Gefahrdungszonen und im Einzelfall ein wesentlich starkeres Auslegungserdbeben bedeutet, als nach
18 Abb. 18.6 Abstandsgeschwindigkeit nach Untersuchungen im Rechtsrheinischen Schiefergebirge (nach HEITFELD 1966, aus KRAPP
1979).
der Erdbebenzonenkarte der DIN 4149. Bei den Auslegungserdbeben werden auBerdem Bemessungserdbeben und Betriebserdbeben unterschieden, die sich sowohl in der Intensitat als auch in der Eintrittswahrscheinlichkeit unterscheiden. Falls der Untergrund des Absperrbauwerks von groBeren tektonischen Briichen durchzogen wird, ist auch zu priifen, ob im Erdbebenfall mit unterschiedlichen Schollenbewegungen zu rechnen ist. Auf dynamisch weichen Talfiillungen iiber Fels kann es auBerdem zu einer Amplitudenerhohung kommen (s. KOLEKOWA et aI. 1996). Eine umfassende Studie iiber die wenigen Erdbebenschaden an Talsperren haben HUBER & LINSBAUER (1996) erarbeitet. Der Bruch des Lower San Fernando Dammes als Folge des Erdbebens vom 09.02.1971 mit M = 6,6 wird auf die Liquefaktion (Verfliissigung) eines Abschnitts der wasserseitigen Dammschiittung zuriickgefiihrt (5. Abschn. 4.2.3.3). AuBer den natiirlichen seismischen Ereignissen sind bei Stauanlagen auch immer durch diese ausgeloste seismische Aktivitliten zu beachten (Abschn. 4.2.3.1). Dabei handelt es sich meist urn kleinere Erdbeben der Magnitude M = 0 bis 3, gelegentlich aber auch urn starkere Ereignisse der Magnitude M = 5 bis 6, die Schaden auslosen konnen. Weltweit sind bisher an iiber 100 Projekten induzierte Beben aufgetreten (Lu & KRAPP 1990). Die Fragen fliissigkeitsinduzierter Seismizitat sind seit Mitte der 1960er Jahre in zahlreichen Fachaufsatzen und internationalen Kongressen behandelt worden. Ausgehend von den klassischen Beispielen in den USA, wo an dem 1935 aufgestauten Lake Mead (Hoover Staudamm) am Colorado-River eine auffallende lokale Erdbebentatigkeit beobachtet worden ist, sind inzwischen zahlreiche Beispiele von fliissigkeitsindu-
590
1
zierter Seismizitat bekannt geworden (Tab. 18.3), wobei unterschieden werden muss zwischen Ereignissen an Stauseen und solchen beim Einpressen von Fliissigkeiten in das Gebirge (s. Abschn. 4.2.3.2). Am bekanntesten diirften die stauseeinduzierten Beben mit katastrophalen Ausmagen von Kremasta (1966 in Griechenland) und Koyna (1967 in Indien) sein. Auch das Schadensbeben vom Mai 2008 in Wenchuan (Siidchina) wird als durch Stauseen bedingte induzierte Seismizitat angesehen. Als allgemein giiltige Kriterien fUr die Einschiitzung des Risikos fliissigkeitsinduzierter Seismizitat konnen genannt werden: Induzierte Seismizitat tritt bevorzugt in sproden, gekliifteten und wasserwegsamen Gesteinsformationen wie Kalksteinen, Graniten, Basalten usw. auf (Lu & KRAPP 1990). Induzierte Seismizitat tritt auch in Gebieten auf, die historisch aseismisch sind oder nur eine geringe Seismizitat hatten. Sie zeigt eine starke Abhangigkeit von der tektonischen Situation und dem regionalen Spannungsfeld (Primarspannungszustand) und auch von den hydrologischen Bedingungen (Wasserwegsamkeiten) und der morphologischen Situation. Die Ereignisse zeigen haufig eine deutliehe Korrelation nieht nur mit der Stau- bzw. Druckhohe, sondern vor allen Dingen mit deren Anderung, bzw. Anderungshaufigkeit und -geschwindigkeit. Stauseeinduzierte Seismizitat tritt nieht erst ab Stauhohen groger als 100 m auf, sondern kann bei ungiinstiger regionalgeologisch-tektonischer Situation schon bei Stauhohen von etwa 50 m einsetzen. Teilweise tritt die verstarkte seismische Aktivitat kurz nach der ersten Fiillung auf und korreliert deutlich mit den Spiegelschwankungen, besonders mit raschem Abstau; grogere Ereignisse konnen aber auch einen deutliehen zeitlichen Abstand und weiter entfernte Bebenherde aufweisen (z. B. Koyna). Als wahrscheinliche Ursachen, die zur Auslosung, oder Erhohung der seismischen Aktivitaten durch Stauanlagen fiihren konnen, werden heute diskutiert: Durch die Wasserauflast werden zusatzliche Spannungen in den Untergrund eingebracht.
18
Talsperrengeologie
Rasche Lastanderungen (Auf- und Abstau) bewirken elastische Deformationen mit entsprechendem Poren- und Kluftwasseriiberdruck bzw. -unterdruck, der die effektiven Normalspannungen verringert und zu einem kurzzeitigen Abfall der Scherfestigkeit fiihren kann. Bei Vorhandensein eines Primarspannungsiiberschusses (s. Abschn. 4.2.4) kann es an Schwachezonen zu einer Uberschreitung der Bruchspannungen und zu ruckartigen Ausgleichsbewegungen kommen. In Zonen besonderer Wasserwegsamkeit konnen sieh die hydraulischen Druckanderungen tief in das Gebirge und auch iiber grogere Entfernungen auswirken (z. B. Koyna). Obwohl nach den Empfehlungen der UNESCO von 1972 eine seismische Uberwachung erst ab Stauhohen von iiber 100 m vorzusehen war, empfiehlt sieh in tektonisch starker gestorten Regionen auch bei niedrigeren Anlagen die rechtzeitige Einriehtung hochempfindlicher seismischer Messstationen, urn durch die Erfassung und Auswertung von Mikroerdbeben zusatzliehe Informationen iiber die seismische Empfindlichkeit eines Talsperrenstandorts zu erhalten (STEINWACHS 1988). Augerdem liegen damit fiir den Bedarfsfall eindeutige Vergleichswerte tiber den natiirlichen Seismizitatspegel eines Gebietes vor.
18.2.7 Stauhaltungen in verkarstungsfiihigen Gesteinen Die Loslichkeit chemischer Sedimentgesteine, wie Salze, Gips, Anhydrit, Kalkstein und Dolomit, unter humiden Klimabedingungen (s. Abschn. 19), in tropischem Klima auch von silikatischen Gesteinen, ist bei der Planung von Talsperren strengstens zu beachten. In bzw. unmittelbar iiber Salzgesteinen sind bis jetzt keine Talsperrenprojekte zur Ausfiihrung gekommen. Dagegen sind schon eine Reihe von Talsperren in Gebieten mit untergeordneten Anhydrit- und Gipseinlagerungen und vor allen Dingen in Kalksteingebieten errichtet worden. Hier sind sehr sorgfaltige und umfangreiehe Untersuchungsarbeiten vorzunehmen und die
591
18.2 Spezielle Problemstellungen
Tabelle 18.3 Auflistung von Talsperren, bei denen induzierte Seismizitat aufgetreten ist {a us MULLER-SALZBURG & SCHNEIDER 1977}. Sperre
GraBte Magnitude
GraBte StauhOhe
1m) Monteynard
(Europa)
Vouglans
Seevolumen 1m' )
Seismische Aktivitat vor dem Sperrenbau
Korrelation mit Aufstau
5
130
275
x 10·
nein
sicher
4,5
110
605
x 10·
?
sicher
6
93
13
?
?
261
150 x 10·
ja
sicher
x 10·
Piastra
(E)
Vajont
(E)
Bajina Basta
IE)
4,5-5
89
340
x 10·
ja
moglich
Granbarevo
(E)
3fache Energiezunahme des Beben nach Aufstau
120
128 x 10·
ja
sicher
Grand Val
(E)
5
78
292
nein
sicher
PI ave d! Cadore
(E)
112
69
x
10·
ja
sicher
Kremasta
(E)
6,3
160
47
x 10'
ja
maglich
Marathon
(E)
1-3
63
41
x 10·
ja
unsicher
Kariba
(Afrika)
4,7-5,8
120
160
nein
sicher
Hendrik-Verwoerd Damm
(AF)
2
66
5 x 10·
nein
sicher
Nurek-Damm
[Asien)
4-4,5 bei 120 m Stauhohe
300 [geplant)
11
ja
sicher
Koyna-Damm
(AS)
6
103
28
ja
sicher
Hsinfengxiang
[AS)
6,2
105
11,5
x 10'
gering
sicher
TalbingcrStausee
(Australien)
3,5
170
888
x
gering
sicher
Benmore-See
(Neuseeland)
3-6
96
2,04
x 10·
Mead-See
(Amerika)
5
221
37,5
x 10·
moglichen Folgen bzw. die notigen AbdichtungsmaBnahmen rechtzeitig aufzuzeigen und auch die Langzeitwirkung, der Sperre zu bedenken. Seichter Oberflachenkarst ist noch einigermaBen beherrschbar. Wesentlich schwieriger sind die Probleme in tief reichendem Karstgebirge und
x 10·
x 10·
x 10·
x
10·
10·
sic her nein
sicher
bei fossilen, an der Oberflache teilweise kaum erkennbaren Karstformen, die oft zu spat erkannt werden. In Karstgebieten sind schon Talsperren gebaut worden, deren Stauraum nie gefiillt werden konnte. In zahlreichen anderen Fallen ist es nur mit sehr aufwendigen zusatzlichen MaBnah-
8
592 men gelungen, die Talsperren in Betrieb zu nehmen (Lit. s. PRINZ & STRAUSS 2006) . Der Bau von Talsperren in Karstgebieten erfordert einen erhohten und auf die speziellen Fragestellungen ausgerichteten Untersuchungsaufwand mit verstarktem Einsatz der Geophysik und einem weit erhohten Bohraufwand. Zu unterscheiden sind einerseits die Auswirkungen vorhandener Hohlraume im Karstgestein im Hinblick auf eine Gefahrdung der Absperrbauwerke und von Wasserverlusten bzw. Einbruchen im Stauraum sowie eine zunehmende Umlaufigkeit bei gleichzeitiger Anhebung des Grundwasserspiegels im Vorland oder in Nachbartalern. Die Erfahrung mit kleinen Anlagen, die in solchen Situationen errichtet worden sind, zeigen, dass sich im Laufe von Jahrzehnten die Wasserwegigkeit erhOht, sich Schlucklocher ausbilden und auch Erdfalle auftreten konnen (DEUTSCH 2007). Die Moglichkeiten einer Sanierung durch Injektions- und AbdichtungsmaBnahmen sind begrenzt und sehr kostenaufwendig. Trotz dieser Schwierigkeiten werden auch heute noch Talsperren in tiefreichenden Karstgebirgen geplant, wenn auch mit sehr aufwendigen DichtungsmaBnahmen (LINORTNER et al. 2009 und Abschn. 18.4.3). Ein Beispiel, das auch in Gesteinsserien mit untergeordneten Kalksteineinlagerungen erhebliche Schwierigkeiten und vor allen Dingen Langzeitprobleme auftreten konnen, zeigen die Erfahrungen bei der Henne-Talsperre im ostlichen Sauerland (HEITFELD 1965: 45 ff) sowie die Arbeiten fUr das Pumpspeicherwerk Ronkhausen im Sauerland. In der Bundesrepublik Deutschland sind einige Hochwasserruckhaltebecken ohne Dauerstau im Sulfatkarst (HEITFELD & KRAPP 1991) bzw. in Kalksteinen der Kreide Ostwestfalens (WEBER 1977) sowie die Oberbecken der Pumpspeicherwerke Glems (KRAUSE & WEIDENBACH 1966) und Happurg (BRETH 1958) in Kalksteinen des Oberjura errichtet worden, letztere allerdings mit totaler Flachenabdichtung,
18.2.8 Stabilitat der Hange Einige groBe Talsperrenkatastrophen der letzten Jahrzehnte hatten ihre Ursache in der Instabilitat der Hange. Hier sei nur an die Gro6rutschung
18 Talsperrengeologie vom Monte Toe in die Vajont-Talsperre erinnert, bei der 1963 mehr als 250 Mill. m 3 Felsmassen in den Stausee abrutschten und eine Flutwelle auslosten, welche die 260 m hohe Staumauer ubersprang und die Ortschaft Longarone im Piavetal zerstort hat. Die Beurteilung der Standsicherheit der Talhange bei wechselndem Stauspiegel erfordert haufig einen hohen Untersuchungsaufwand. Hierbei ist besonders auf alte Bewegungszonen an tektonischen Strukturen und Grenztlachen, auf fossile Rutschungen und auf Kriechhange zu achten (s. Abschn. 15.1.1 und 15.3.5). Die Anzeichen fur solche instabilen Hangbereiche und die Untersuchungsmethoden sind im Abschn. 15.2 beschrieben. Anhand charakteristischer Querprofile muss untersucht werden, mit welchen Hangbewegungen bei einem Aufstau zu rechnen ist, wobei fUr Talsperrenprojekte haufig auch Erkundungsstollen angelegt werden. Besondere Aufmerksamkeit ist auf den Wechselbereich des Stauspiegels zu legen. Der Untersuchungsaufwand geht dabei in der Regel weit uber die in der DIN 19 700-11 geforderten Nachweise hinaus. Die Hange von Stauanlagen weisen, wie aIle steileren Hangformen, immer naturliche reversible Bewegungen in der Gro6enordnung von einigen Millimetern auf, die in erster Linie durch die Wechselstande des Grundwasserspiegels bedingt sind (LOEW et al. 2007). Diese naturlichen Hangbewegungen werden durch die Reaktionen des Gebirges auf die Wechselstande des Seewasserspiegels in Form von elastischen Hebungen beim Aufstau und ausklingenden Setzungen beim Abstau uberlagert (NEUHAUSER & SCHOBER 1970). Die mehr oder weniger elastischen Deformationen konnen bei Vorhandensein alter Rutschschollen Gro6enordnungen erreichen, die beim Gepatschspeicher in den ersten Aufstauperioden 1964/65 insgesamt 7,4 m und 1965 bis zu 3,5 m, zusammen bis zu 11,15 m betragen haben. In SondierstoIlen, die durch die Gleittlache gehen, sind Bewegungen von mehreren Metern gemessen worden. Die Bewegungen haben sich in den Folgejahren zunehmend verlangsamt und zuletzt nur noch MillimetergroBenordnung erreicht (LAUFFER et al. 1971). Ais Ursache fur die groBen BewegungsmaBe in den Anfangsjahren wird bei den gut wasserwegsamen Rutschmassen Auftriebswirkung und weniger ein Stromungsdruck bei Spiegelabsenkung angenommen. Beim Ge-
18.3 Absperrbauwerke
patschspeicher sind die Bewegungen jeweils rasch abgeklungen. Sie miissen unter Kontrolle gehalten werden, urn Instabilitaten und ihr Ausma6 rechtzeitig zu erkennen. Zum Einsatz kommen sowohl geodatische Bewegungsmessungen als auch Inklinometermessungen in Bohrlochern (Abschn. 15.2.5). Solche Bohrlochmessungen sollten bereits im Zuge der ersten Erkundungsma6nahmen eingerichtet werden, urn geringe Instabilitaten und ihre Tiefenwirkung rechtzeitig zu erfassen. Die Bohrungen miissen bis in den einwandfrei stabilen Untergrund hinuntergefUhrt werden. Das Messprogramm muss so konzipiert werden, dass neben den von Au6en einwirkenden meteorologischen und hydrologischen Parametern (Stauspiegelanderungen) auch die davon abhangigen Einflussgro6en auf die Rutschmasse (Grundwasserstande, Sickerwasseraustritte, ggfs. Porenwasserdriicke) sowie die Bewegungen in der Flache und nach der Tiefe erfasst werden. Hinzu kommt die Abschatzung einer moglichen rutschungsinduzierten SchwaIlwelle (Wasserverdrangung) und ihrer Folgen fUr das Absperrbauwerk und die Unterlieger. Fiir den Mittelgebirgsraum ist hier die Talsperre SchOnbrunn im Thiiringer Wald zu nennen. Das Absperrbauwerk besteht aus einem 65 m hohen Steinschiittdamm mit Asphaltau6enhautdichtung. Bereits bei den Voruntersuchungen Mitte der 1960er Jahre sind alte Rutschungsareale festgestellt und in der Folgejahren eingehend untersucht worden. Die Hangbewegung "Gabel" wird seitdem mit einem umfangreichen Monitoringsystem iiberwacht. Die Messungen zeigen eine deutliche Abhangigkeit vom Niederschlagsgeschehen (Monatssummen, Starkregenereignisse, Schneeschmelze). Der Einfluss von Stauspiegeliinderungen kann kaum getrennt ermittelt werden, da ein schneller Anstieg der Stauhi:ihen immer mit entsprechenden Niederschlagen verbunden ist. Seit Beginn des Probestaus 1975 sind bis 1999 an Extensometermessstellen in Stollen Verschiebungen von 30 bis 45 em gemessen worden, so dass die Auswirkungen von Stauspielgelanderungen als gering eingeschatzt werden und sich kaum Einschrankungen fUr den Betrieb der Talsperre ergeben (s. a. WITTER & KONIETZKY 2004). Die Ma6nahmen, urn solche Hangbewegungen im Ansatz zu beherrschen, sind in erster Linie Vorschiittungen zur Stabilisierung der
593
unteren Hangbereiche sowie Entwasserungsma6nahmen alier Art, einschl. Dranagestollen.
18.3 Absperrbauwerke Die Aufgabe eines Absperrbauwerkes einer Stauhaltung ist einmal die Sperrung des Talquerschnitts zur Schaffung des Stauraumes, zum anderen den Staudruck des Wassers aufzunehmen und sicher auf den Untergrund zu iibertragen. Die Wahl des Absperrbauwerkes und seines giinstigsten Querschnitts hangen ab von den topografischen Verhaltnissen der geologischen Situation der Durchlassigkeit des Untergrundes bzw. den notigen Dichtungsma6nahmen der Stauhi:ihe den zur VerfUgung stehenden Dammbaustoffen und speicherwirtschaftlichen Bedingungen.
18.3.1 Staumauern Staumauern erfordern in der Regel eine Engstelle im Talquerschnitt und stellen hochste Anforderungen an die Tragfahigkeit und Dichtigkeit des Untergrundes und ki:innen daher grundsatzlich nur auf Fels errichtet werden. Sie sind deshalb in Mittelgebirgen verhaltnismamg selten anzutreffen, kommen aber iiberall da in Betracht, wo kein geeignetes Dammschiittmaterial zur VerfUgung steht und die Morphologie und Geologie einen Mauerbau zulassen. Nach der Formgebung und statischen Wirkung werden folgende Bauarten von Staumauern unterschieden, die auch in kombinierter Form errichtet werden ki:innen: Gewichtstaumauern leiten ihre resultierenden Krafte aus der Mauerlast und dem Wasserdruck unmittelbar in die Griindungssohle ein. Die Abtragung der Horizontalkrafte setzt eine ausreichende Scherfestigkeit in der Sohle voraus. Bogenstaumauern iibertragen den Druck der Wassermassen vor allem auf die Widerlager in den Talflanken, welche die Kiimpferkrafte unter Beriicksichtigung der Kluftsysteme und der Gebirgsfestigkeit aufnehmen miissen.
18
594
18
pfeilerstaumauern bestehen aus Pfeilern, gegen die sich eine Stauwand aus Platten oder Gewolben stiitzt. Die Griindung kann auf einer durchgehenden oder auf einzelne Felder beschrankten Grundplatte erfolgen. An das Gebirge in Griindungssohle, besonders seine Scherfestigkeit, werden sehr hohe Anforderungen gestellt. In breiteren Talquerschnitten wurden haufig pfeilerstaumauern errichtet. Die Griindung von Staumauern erfolgt in der Regel auf gesundem Fels, der beim Freilegen schonend zu behandeln und mit Druckwasser oder Druckluft zu saubern ist. Die Mauer bildet mit dem Felsuntergrund ein zusammenwirkendes System, dessen Aufstandsbereich sowohl durch die von der Sperre einwirkenden Krafte als auch vom anstehenden Wasserdruck beansprucht wird, einschlieBlich des Sohlwasserdrucks und des Wasserdrucks im Kluftsystem. Besondere Anforderungen werden an die Lagerungsverhaltnisse und die Scherfestigkeit des Untergrundes sowie auf das Verformungsverhalten und seine Durchlassigkeit gestellt. Ungiinstiges Schichtfallen oder Streichen von Kluftscharen bzw. Diskontinuitaten konnen die Gleitsicherheit entscheidend herabsetzen Zur Beherrschung der Sohlwasserdriicke sind Driinagen im Aufstandsbereich sowie Dranbohrungen im Untergrund vorzusehen. Dabei sind die konstruktive Ausbildung des Aufstandsbereichs, das Dransystem und der Dichtschirm Zur Reduzierung der Durchsickerung immer als Gesamtsystem zu sehen. OBERNHUBER & STAUBLE (2007) bringen einen Dberblick iiber die gegenseitigen Wechselwirkungen sowie Fallbeispiele groBer alpiner Sperrenanlagen. Ais besonderes Problem hat sich in den letzten Jahren die Standsicherheit alter Staumauern ergeben, die hiiufig auf sehr kompliziert aufgebautem Untergrund mit erosionsgef 2,8
2,3
2,2
Vielfaches bez. auf CaCO, Dichte (tj m3)
2,7
620
19 Bauen in Erdfailgebieten
einigen Salzverbreitungsgebieten (auch von Salzstocken) sind natiirliche Solquellen bekannt, die Anzeichen fUr die anhaltenden Losungsprozesse in der Tiefe sind. Durch Schiittungsmessungen und Analyse der Salzgehalte lasst sich die abgefUhrte Salzfracht ermitteln. Sie betragt oft viele tausend Tonnen pro Jahr. Trotzdem verlauft die Steinsalzsubrosion in der Natur in der Regel sehr verhalten, da sich im Niveau des Salzlagers eine Zone weitestgehend gesattigten Grundwassers hOherer Dichte einstellt. Erst bei Anderung der hydraulischen Situation und Zustrom frischen Grundwassers, sei es durch Solbetrieb oder bergbaubedingte Wasserhaltung, wird die Subrosion beschleunigt, mit entsprechenden Folgen an der Erdoberflache. Seit WEBER (1930, 1967) wird die vom Tagesausstrich fortschreitende Subrosion als "regulare Salzauslaugung" bezeichnet. Hierbei kommt es zur Ausbildung eines sog. Salzhanges, das ist der Ubergang von der unversehrten Salzfolge zu dem mehr oder weniger salzfreien Gebiet. Die "irregulare Salzauslaugung" erfasst dagegen die Lagerstatte innerhalb des geschlossenen Salzgebietes durch Eindringen von Wasser an Storungs- und Zerriittungszonen. Beide Typen zeigen grundsatzlich denselben Mechanismus und fUhren zu ahnlichen Auswirkungen an der Erdoberflache,
Irregul6te
Auslaugung
doch bilden sich bei der irregularen Salzauslaugung in der Regel ausgepragte trichter- und kesselformige Senken (Subrosionssenken), die von mehr oder weniger steilen lokalen Salzbangen umgeben sind, wahrend die Formen vor dem regularen Salzhangbereich meist flache Senkungsmulden sind, die in der Landschaft wenig auffallen. Die reguJare Salzauslaugung und die weitergehende Zonengliederung von WEBER (1967) ist modellhaft am Tagesausstrich der Zechsteinfolge am siidlichen Harzrand anzutreffen, wo die Anhydrit- und Salzlager unter wenigen hundert Metern Uberdeckung liegen (Abb. 19.14). Bei machtigerer Uberdeckung des Zechsteinsalinars, wie in Osthessen, zeichnen sich die oben genannten Auslaugungsbezirke WEBERS weniger deutlich abo 1m Westteil des Werra-Fulda-Beckens scheinen die Salzhange nach LAEMMLEN, PRINZ & ROTH (1979) und PRINZ (1980) mehr von der Palaogeographie des Zechsteinmeeres abhangig zu sein als von der fortschreitenden Subrosion. Die verschiedenen Randbecken des Zechsteinmeeres mit 100 bis 300 m machtigen Steinsalzablagerungen im Zechstein 1 werden hier von Schwellen mit Sulfatfazies begrenzt, die offensichtlich noch heute weitgehend den Salzhangbereich markieren. In dies en teilweise sehr breiten
l.agefwtAl1e Intakt
Stalns.alz IlusgeIaugt
W Zechslein
OtJaff3r
rnas
1~ 1Abschlammalerial 1-~ 1Sandstein
1:;=::1 Saltton 1c
6,00 m
Fahrbahn
-
L L Abb. 19.22 StraBenaufbau mit zweifacher Geogitterbewehrung zur zeitweisen OberbrOckung eines Erdfalies (a us ROGALL & BROMER 2009).
-
q%
L
"-
""
I
Bauklasse IV nach RSIO'91
'--
• ern Deckschlchl 14 ern bit Tragschlcht 15 ern hydr geb. TragschiCh\ 27 ern FrostschutzschiCh\
Stahlbetonplatte (sog. Erdfallschutzplatte) notwendig werden (HELLMANN 2009; KOHLER & MULLER 2010).
19.4.4 Fruhwarneinrichtungen Der Einbruch von Erdfallen ist bisher nur in einigen wenigen Fallen genau beobachtet und z. T. auch vermessen worden. In allen diesen Fallen, in den en die Karstgesteine von unterschiedlichen machtigen Lockergesteinen iiberlagert waren, zeiehnete sieh ein Erdfall meistens schon Iangere Zeit vorher als zunachst geringfiigige Senkung abo Der Senkungsbetrag nimmt dann kurz vor dem Einbruch exponential beschleunigt zu. Die geringste zeitliehe Differenz zwischen diesen Voranzeiehen und dem Eintritt des Erdfalls betrug einige Stunden. Allerdings kann nieht ausgeschlossen werden, dass Erdfalle auch wesentlich schneller und ohne Vorankiindigung, z. B. innerhalb weniger Minuten eintreten. Eine Oberwachung von Bauwerken durch Friihwarneinrichtungen kann also durchaus sinnvoll sein. In der Praxis werden solche Verfahren meist angewandt, wenn andere SieherungsmaBnahmen nicht moglich sind oder zu aufwandig waren. Ein einfaches aber im Laufe der Zeit aufwandiges Verfahren zur Oberwachung von Flachen oder auch einzelnen Bauwerken sind Feinnivellements (Ingenieurvermessung oder Prazisionsnivellement), die bei entsprechender Punktdiehte, auch eine Aussage iiber die Verteilung der Bewegungen ermoglichen. Plotzliche Einbriiche
'- Basaltscholler 0132 GeoIelClJl 10 ern Scholler 0132 ' - - - Geotextil 10 ern Scholler 0/32
ohne Vorankiindigung werden damit nicht erfa sst. Wichtig ist die Festlegung der Wiederholungsmessungen in angemessenen Zeitabstanden, wobei auch kurzfristige Zwischenmessungen nach sonstigen Beobachtungen moglich sein sollten. Ais permanente Oberwachung einzelner Objekte kommt auch die Kontrolle tragender Bauwerksteile mittels Schlauchwaage (Abschn. 5.5.3.6) oder durch einen Laserstrahl in Betracht. Die Toleranzen, die zur Auslosung eines Alarms fUhren, sollten nieht zu klein gewahlt werden, weil es sonst haufig zu Fehlalarmen kommt. Die klassischen geodatischen Verfahren sind re1ativ aufwandig. AuBerdem sind flachenhafte Aussagen oft nur durch Interpolation zwischen den gemessenen Punkten moglich (Abb. 19.20). Eine Alternative stellen nach der Literatur flugzeug- oder satellitengestiitzte Fernerkundungsmethoden dar, wie das GPS-System oder die SAR-Radarinterferometrie (s. Abschn. 15.2.5). Eine andere Moglichkeit ist der Einbau von ErdfaUpegeln in Bohrlochern (Abb. 19.23). Ausgehend von der durch Beobachtungen gestiitzten Annahme, dass Hohlraume (kiinftige Erdfalle) im Festgestein meist nur mit einer Geschwindigkeit von wenigen Metern pro Jahr nach oben wandern, kann ein entsprechend tief gesetzter Erdfallpege1 das Hochbrechen eines Hohlraumes rechtzeitig anzeigen. Bei einer Einbindetiefe der Erdfallpege1 in das Festgestein von 20-50 m verbleibt geniigend Zeit fUr SicherungsmaBnahmen, wie z. B. Verpressen. Der Grundgedanke eines Erdfallpege1s geht auf KAMMERER und REUTER zuriick (KAMMERER 1962). Verschiedene Autoren verbesserten das Messprinzip. Anstelle der
635
19.4 Bautechnische MaBnahmen
OKGel. StraOenkap'p'
P 9t!.lli!.!!9L PV
uw.m....
zementtert oder verfUllt
Abb. 19.23 Erdfallpegel (System BOCHNER).
Betonplombe im Bohrlochtiefsten von BUCHNER (1986) verwendet VOLKER (2004) Gewichtskorper aus nichtrostendem Metall. Jede Abwartsbewegung wird iiber ein Gestange auf eine Messskala am Bohrlochkopf iibertragen und lost bei einer vorgegebenen Einstellung Alarm aus. Eine andere Moglichkeit ist, im Bohrloch in einer gewissen Tiefe Geophone, bzw. unter Grundwasser sog. Hydrophone zu installieren, urn die Gerausche bei Nachbriichen im Untergrund zu registrieren und bei deutlicher Zunahme der Haufigkeit und/oder Intensitat Alarm auszulosen. Neuerdings werden besonders unter Geogitter-Verbundkonstruktionen auch flachendeckende Warnsysteme in Form einer Vlies-SignaldrahtMatte eingebaut, die Widerstandsanderungen durch Dehnung oder Bruch anzeigt (FENNK & AST 2004).
9
20
e
Geotech ische Aspe der Geot er •Ie
20.1 Grundlagen der Geothermie Die Nutzung des Untergrundes als Warmequelle, Kaltequelle oder als thermischer Energiespeicher zur Heizung oder Kiihlung mit theoretisch unerschOpflichem geothermischem Potential gewinnt immer mehr an Bedeutung. Der relativ hohen Anfangsinvestition stehen die heute schon deutlich gestiegenen konventionellen Energiekosten gegeniiber, die sich bei Erdwarmenutzung dann auf die Stromkosten fUr das Betreiben der Anlage beschranken. Als Erdwlirme wird die unterhalb der Erdoberflache gespeicherte thermische Warmeenergie bezeichnet. Diese beruht in den oberflachennahen Schichten im Wesentlichen auf der von der Sonne eingestrahlten Warmeenergie. Unterhalb von 15-20 mist der aus dem Erdinneren zur Erdoberflache gerichtete terrestrische Warmestrom mit etwa 30 % beteiligt. Hauptursache fUr die Temperatur in der kontinentalen Lithosphare ist mit einem Anteil von etwa 70 % der Zerfall radioaktiver Isotope.
Tiefe hangt sehr stark von der mittleren Umgebungstemperatur und den Niederschlagen ab, bzw. davon, mit welchen Temperaturen das Sickerwasser die Grundwasseroberflache erreicht. Unterhalb des klimatischen Einflussbereichs nimmt die Erdtemperatur pro 100 m Tiefe im Mittel urn 3 °C zu. Dies bedeutet, dass bei einer Ausgangstemperatur von 10 °C in 20 m Tiefe diese bis in 120 m auf 13 °C, in 220 m auf 16°C, in 350 m auf 20°C und in 1000 m auf etwa 40°C ansteigt. Diese Temperaturzunahme mit der Tiefe wird als Temperaturgradient oder geothermischer Gradient bezeichnet und in K/m (OC/m) angegeben. Der geothermische Gradient von rd. 3 K pro 100 m Tiefe ist aber nicht einheitlich. Er variiert regional ganz erheblich und kann auch eine Tiefenstaffelung aufweisen. Die Verteilung der Temperatur in den oberen 2000 mist in den verschiedenen geologischen Regionen Deutschlands aus Temperaturmessungen in Tietbohrungen recht gut bekannt (HURTIG et al. 1991). So liegen die Temperaturen in 1000 m Tiefe im Ostteil des Norddeutschen Beckens bei etwa
14 12
20.1.1 Geothermischer Gradient
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U
In den oberen Metern der Erdkruste liegt die mittlere Boden- und Grundwassertemperatur zwischen 5 und 12°C. Der Tageseinfluss reicht bis etwa 1,5 m Tiefe. Der Jahresgang der Temperatur (Winter/Sommer) zeigt ab 6 m Tiefe etwa 8 bis 10°C (Abb. 20.1). Der Tiefenbereich, ab dem nur noch jahreszeitliche Temperaturanderungen von weniger als 0,1 K (0C) auftreten, wird neutrale Zone genannt. Sie liegt in Deutschland zwischen 15 und 20 m, z. T. bis in 40 m Tiefe. Das Abklingen der Temperaturschwankung nach der H. Prinz et al., Ingenieurgeologie © Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg 2011
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Abb. 20.1 Jahresgang der Boden- und Grundwassertemperatur in verschiedenen Tiefen (aus KALTSCHMITT et al. 1999).
638 30°C, im Molassebecken (Oberschwaben) bei 70°C und in Teilen des Oberrheingrabens bei etwa 80°C. Damit betragt der Temperaturgradient z. B. in Berlin nur 2 KIlOO m (BRUHL & OTTO 1987), wahrend es in einigen Gebieten BadenWurttembergs und Bayerns (z. B. Landshut) z. T. mehr als 5 K/lOO m und im mittleren und nordlichen Oberrheingraben ortlich uber 6 KIlOO m sind (BERTLEFF et al. 1988). 1m Bereich der Warmeanomalie von Urach wurden in den oberen 200 m sogar 9,1 KIlOO m gemessen. Diese erhOhten Gradienten sind allerdings ortlich und in der Tiefe begrenzt. So wurde mehrfach beobachtet, dass auch in Gebieten mit bekannter erhohter Warmeanomalie in den oberen 200 bis 300 m darunter nur der normale geothermische Gradient von etwa 3 K auftritt. Die Tiefenverteilung der Erdwarme kann von sog. Warmeanomalien uberpragt werden, die ihren Ursprung in der tieferen Erdkruste haben. Ais Ursachen kommen in erster Linie der Aufstieg von warmen Tiefenwassern an tektonischen Storungssystemen (z. B. Thermalwasser von Aachen oder Wiesbaden) oder Vulkangebiete, sowie ortlich auch andere Warmequellen in Betracht (VILLINGER 1982). Dazu kommen Warmeanomalien im Bereich von Stadten und Industriegebieten. So betrugen die Boden- und Grundwassertemperaturen beim Bau des MainTower in Frankfurt am Main in 10 m Tiefe 19°C und in 20 bis 30 m etwa l7 °C (VON DER RUDE & KAPP 1998).
20.1.2 Geothermische L Erkundung Die Planung und AusfUhrung einer Erdwarmeanlage erfordert auger Angaben uber den Energiebedarf ausreichende Kenntnisse uber die geologischen und hydrogeologischen Verhaltnisse und die dem Untergrund entziehbare Warmemenge am Standort: Geologischer Untergrundaufbau, Schichtenfolge (Gestein), tektonische Strukturen, TrennflachengefUge, mechanische Gesteinseigenschaften (Bohrbarkeit) Hydrogeologische Verhaltnisse (Grundwasserstand, Grundwasserleiter und -geringleiter, Gebirgsdurchlassigkeit, Grundwasserflieg-
20 Geotechnische Aspekte der Geothermie
richtung und -flieggeschwindigkeit, Grundwasserchemismus, Wasserschutzgebiete,) Geothermischer Gradient bzw. Abschatzung der Temperatur moglicher Nutzhorizonte Thermische Gesteins- und Gebirgskennwerte Mogliche Auswirkungen auf das Grundwasser und auf die Umgebung (Umweltaspekte). Fur die Bemessung geothermischer Anlagen mangelt es noch vielfach an mit vertretbarem Aufwand zu ermittelnden Kennwerten der thermischen Eigenschaften von Gestein und Gebirge. Fur kleinere Anlagen werden allgemein Tabellenwerte verwendet. Bei grogeren Projekten sollten die notigen Kennwerte nach Moglichkeit direkt ermittelt und geothermische Berechnungen vorgenommen werden. Der geothermische Gradient wird durch den Warmestrom aus der Tiefe gespeist. Die oberflachennah verfUgbare terrestrische Warmestromdichte liegt in Deutschland bei 60 bis 70 m W1m2 und ist sehr stark von der geologischen Situation abhangig. In aktiven Vulkangebieten und in tektonischen Riftzonen liegt die Warmestromdichte mit 100-150 mW/m 2 wesentlich hOher als in den Kontinentalgebieten mit bis zu 50 m W1m2 (KALTSCHMITT et al. 1999). Jeder Warmeentzug im Untergrund bewirkt einen Warmestrom (Q in W), dessen Groge abhangig ist vom Temperaturgefalle und der Warmeleitfahigkeit. Der nutzhare Warmestrom des Untergrundes wird einerseits uber das Gestein gespeist (sog. konduktiver Anteil) und andererseits uber das im Gebirge zirkulierende Grundwasser (konvektiver Anteil). Wasser ist zwar selbst ein schlechter Warmeleiter (etwa 0,6 W/(m· K) bei 20°C), hat aber eine groge spezifische Warmekapazitat, d. h. das Vermogen Warme zu speichern. Stagnierendes Grundwasser zeigt daher nur geringe Auswirkungen auf den Warmefluss, fliegendes Grundwasser bewirkt dagegen einen standigen Warmetransport und ist je nach Gebirgsdurchlassigkeit ein gutes Medium fUr den Transport von geothermischer Energie. Die konvektiv transportierte Warmemenge ist dabei abhangig von der Temperatur und der FlieBgeschwindigkeit. Eine Grundwasserstromung mit einer Wassertemperatur von 13 °C, die mit einer durchaus ublichen Filtergeschwindigkeit von 1,0 mid fliegt (s. Abschn. 2.8.6), erzeugt z. B. eine Warmestromdichte von etwa 630 W/m 2• Fur die Speicherung
639
20.1 Grundlagen der Geothermie
thermischer Energie ist die volumenbezogene spezifische Warmekapazitat ma6gebend (in kJ/ m 3 • K). Gesteinsbezogene Werte dazu s. VDI 4640, Blatt 1, Tab. l. Die Warmeleitfahigkeit der Gesteine A (in W/(m·K) beschreibt das Vermi:igen Warme zu transportieren. Die Messung erfolgt entweder an Gesteinsproben oder direkt im Bohrloch. Sie ist eine materialspezifische, yom Wassergehalt, dem Druck und der Temperatur sowie der Anisotrophie der Gesteine abhangige Gri:i6e (Tab. 20.0. Der Wert steigt au6erdem mit der Korngri:i6e der Gesteine und ihrer Permeabilitat: Torf < Ton < Schluff (Lehm) < Sand < Kies < Festgesteine. Die Ermittlung der Warmeleitfahigkeit an Gesteinsproben erfolgt in der Regel mit dem Ther-
mal Conductivity Scanner. Dabei wird das Kernstiick bei Zimmertemperatur mit einer Warmequelle abgetastet und die Temperatur vor und hinter der Warmequelle mittels Thermosensoren gemessen. Die Messungen erfolgen an ofentrockenen oder wasserbenetzten Proben. Die Warmeleitfahigkeit wassergesattigter Gesteine kann allerdings erheblich h6her liegen (Abb. 20.2). Eine umfassendere Bestimmung der mittleren Warmeleitfahigkeit des Untergrundes als die kleinma6stablichen Laborversuche ermi:iglichen der Geothermal-Response-Test (GRT) bzw. eine Abwandlung, der Thermal- Response-Test (TRT). Letzterer ist ein Bohrlochversuch, bei dem als Tragerfliissigkeit erwarmtes Wasser durch eine Art Erdwarmesonde gepumpt und die Aufheizkurve des Untergrundes gemessen wird (HOFMANN & SCHMITT 2010). Der Versuch, der in der DIN 4107-Reihe genormt bzw. in eine Empfeh-
Tabelle 20.1 Wiirmeleitfiihigkeiten hiiufiger Gesteinsarten (in Anlehnung an VDI4640: 1, E 2008, darin auch weitere Gesteinsarten). Warmeleitfahigkeit [W/(m·Kll
Gesteinsart
Lockergesteine
Festgesteine
r
empfohlener Richtwert
Lehm (Schluff, Ton), wassergesattigt
1,1-3,1
1,8
Sand, erdfeucht
1,0-1,9
1,4
Sand, wassergesiittigt
2,0-3,0
2,4
Kies, wassergesiittigt
1,6-2,5
1,8
Geschiebemergel und -Iehm, erdfeucht
1,1-2,9
2,4
Sandstein
1,9-4,6
2,8
Ton-jSchluffstein
1,1-3,4
2,2
Mergelstein
1,8-2,9
2,3
Kalkstein
2,0-3,9
2,7
Dolomitstein
3,0-5,0
3,5
Tonschiefer
1,5-2,6
2,1
Quarzit
5,0-6,0
5,5
Granit
2,1-4,1
3,2
Gneis
1,9-4,0
2,9
Basalt
1,3-2,3
1,7
Vulkanischer Tuff
1,1
1,1
o
20 Geotechnische Aspekte der Geothermie
640
2
Tabelle 20.2 Allgemeine Richtwerte fUr die Warmeleitfahigkeit des Untergrundes und spezifische Entzugsleistungen fUr Erdwarmesonden (in Anlehnung an VDI 4640: 2, erganzt). Warmeleitfahigkeit .it
Untergrund
[W/(m·Kll
spezifische Entzugsleistung
[W/m) fUr 1800 h
fUr 2400 h
schlechter Untergrund (ungesattigte Zone)
< 1,5
ca. 25
ca. 20
Lockergesteine, feucht
1,0-2,0
ca. 40
ca. 30
Festgesteins-Untergrund (Sedimentgesteine)
1,5- 2,5
ca. 60
ca . 50
Festgestein mit hoher Warmeleitfahigkeit (kristallines Grundgebirge)
2,5- 3,0
ca. 84
ca. 70
lung des Arbeitskreises Geothermie (EAG) aufgenommen werden solI, ermoglicht allerdings nur die Bestimmung der Warmeleitfahigkeit des Gesamtsystems, ohne schichtbezogene Werte (SASS 2007; SASS & Buss 2008). Die oben genannten Autoren haben in einer 20 m langen Versuchsstrecke in Keupertonsteinen einen AGeb.Wert von 1,67 bzw. 1,73 W/(m·K) gemessen. SCHNEIDER & MOORMANN (2010) berichten von einer 10 m langen Horizontalbohrung in entfestigten Unterjura-Tonsteinen, die eine mittlere Warmeleitfahigkeit von AGeb. = 1,9 W/(m·K) ergeben hat. 6
5
Qfeucht Dtrocken
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4
3-
~
2
1
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~
('2)~'"
G)
~
(G)
W
~
M!I ~ (lS)
11V71
~
~
12Q (:\4)
Kalkstein Tonmergelstein parallel normal zur Schichtung
(C) (IT)
CS8)
(")
Sandstein parallel normal zur Schichtung
Abb. 20.2 Mittelwerte der Warmeleitfahigkeit von Gesteinsproben nach SCHNEIDER & MOORMANN (2010); Klammerwerte ~ Anzahl der Versuche.
Die spezifische Entzugsleistung wird angegeben in W/m nutzbares Untergrundprofil, bezogen auf die Jahresbetriebsstunden der Warmepumpe. In Tabelle 20.2 sind allgemeingultige Werte genannt.
20.2 Geothermische Verfahren Bei den geothermischen Verfahren der Erdwarmenutzung wird zunachst zwischen oberflachennahen Systemen und tiefen hydrothermischen bzw. petrothermischen Systemen unterschieden. Die Abgrenzung wird heute bei 400 m und einer Temperatur von> 20°C angenommen. Die Mehrzahl der flachen Erdwarmesonden liegt im Tiefenbereich bis 150 m. In der Praxis versteht man unter tiefer Geothermie allgemein Bohrtiefen von mehr als 1000 m und Temperaturen > 60°C, was der Definition von warmen Wasser entspricht. Fur die Stromerzeugung wird sog. heiBes Wasser mit Temperaturen > 100°C benotigt. Fur die Planung von Erdwarmesonden (EWS) stehen in einigen Bundeslandern (z. B. BadenWiirttemberg, Brandenburg, Hessen, RheinlandPfalz, Schleswig-Holstein) Leitf 2 lis sind unverziiglich der Unteren Wasserbehorde mitzuteilen. In Lockergesteinen werden die Bohrungen meist im Hohlschneckenbohrverfahren oder im
642
20 Geotechnische Aspekte der Geothermie
20
Schnitt A - A' 25-32 mm
00 Warmepumpe Erdwarmesonde Schnitt A - -
- - A'
o~o
a
50-70 mm
70-80 mm
U-Sonde
Doppel-U-Sonde
© ca . 46 mm
Koaxialsonde
Abb.20.3 Ausfiihrungsvarianten von gebriiuchlichen Erdwiirmesonden (nach
Spiilbohrverfahren niedergebracht, im Festgestein wird das Imlochhammerverfahren oder das Rotary-Verfahren eingesetzt (s. Abschn. 4.3.5). Die Bohrdurchmesser betragen meist 150 bis 220 mm. Der verbleibende Hohlraum zwischen den Sondenbundeln wird mit einer gut warmeleitenden Bentonit-Zement-Suspension im Kontraktorverfahren von unten nach oben verfullt. Die Breite des Ringraumes soll mindestens 30 mm betragen (Bohrdurchmesser > Sondenbundel + 60 mm) bzw. die Bentonit-Zementmasse soll mindestens 65 % des Bohrlochquerschnitts einnehmen. Durch die Bohrlochverfullung soll ein schlussiger Kontakt zum umgebenden Gebirge gewahrleistet sein und es soll verhindert werden, dass sich Grundwasserstockwerke vermischen. Die VerfUllsuspension muss fUr die jeweilige Einsatztemperatur geeignet sein. Bei zyklischen Warmepumpenschaltungen fur Heiz- und Kuhlzwecke bedeutet dies, dass die eingesetzten Baustoffe Frost-Tau-bestandig sein mussen. Andernfalls konnen Schaden und Undichtigkeiten am System auftreten (MULLER 2007).
KALTSCHMITT
et al. 1999).
Alternativ dazu werden auch Erdwarmesonden mit durchlassiger RingraumverfUllung (Filterkies) gebaut, bei denen ein direkter Kontakt des flieBenden Grundwassers mit der Sonde besteht. Der Platzverbrauch ist bei vertikalen Erdwarmeson den gering. Eingesetzt werden ein oder zwei Sonden fUr Ein- und Zweifamilienhiiuser und Mehrsondensysteme zur Versorgung groBerer Gebaude oder Wohnanlagen. Der Abstand zwischen zwei benachbarten Sonden soll bei Sondentiefen bis 100 m mindestens 6 m betragen, der Abstand zur Grundstucksgrenze 5 m. Erdwarmesonden sollten moglichst nur im oberen, d. h. im ersten Grundwasserleiter eingerichtet werden. Tiefere Grundwasserleiter durfen nur genutzt werden, wenn durch sachgerechte Abdichtung des Bohrlochs hydraulische Kontakte und damit cine gegenseitige Beeintrachtigung der Grundwasserleiter ausgeschlossen werden konnen (s. Abschn. 20.3.2). Die Bemessung kleinerer Anlagen, d. h. Erdwarmesonden bis 150 m Tiefe, wie sic fUr her-
643
20.2 Geothermische Verfahren
kommliche Einfamilienhauser mit einem Energiekennwert von 200 kWh/m2 und einem Jahresverbrauch von 24000 kWh/a (Reihenhaus 120 m 2) bis 40000 kWh/a (Einfamilienhaus 200 m 2) ublich sind, erfolgt in der Regel nach den VDI -Richtlinien 4640. Die Anzahl und Lange der Sonden wird meist anhand von Erfahrungswerten in Abhangigkeit von der Schichtenfolge nach Tabelle 20.2 abgeschiitzt. Die Einzelwerte konnen je nach Gesteinsausbildung, Kluftung und Verwitterungszustand erheblich variieren. Ein ublicher Wert fUr die jahrliche spezifische Entzugsleistung sind 100 bis 150 kWh/em . a), bei erhohter geothermischer Tiefenstufe auch mehr. Fur einen reinen Heizbetrieb ist von 1800 jahrlichen Betriebsstunden auszugehen. Wird uber die Warmepumpe auch Brauchwasser erzeugt, erhOht sich die Betriebsstundenzahl auf 2400 im Jahr. Ein Gebaude benotigt z. B. eine Heizleistung von 14kW Die Anlage lauft 2400 Stunden und leistet damit 33 600 kWh/a. Bei einer spezifischen Entzugsleistung des Untergrundes von 180 kWh/(m· a) werden daher 186 Entzugsmeter benotigt, was zwei Bohrungen von jeweils etwa US m Bohrtiefe entspricht. Bei Anlagen mit einer Warmepumpen-Gesamtleistung von> 30 kW und bei Anlagen mit mehr als 2400 Jahresbetriebsstunden ist auf jeden Fall eine Berechnung zur Dimensionierung der Erdwarmesonden zu empfehlen. Vereinfachte Annahmen dazu s. VDI 4640: 2. Bei derart dimensionierten Anlagen stellt sich nach derzeitigem Kenntnisstand im Untergrund nach wenigen Jahren eine ausgeglichene Energiebilanz ein. Messungen an einer 105 m tiefen Erdwarmesonde in der Schweiz mit einer jahrlichen Entzugsleistung von 90 kWh/(m· a) haben gezeigt, dass sich in einem Umkreis von 0,51,0 m urn die Sonde in den ersten Jahren eine Abkuhlung von 1-2 K abzeichnet, sich aber dann ein quasi stationarer Zustand einstellt und keine weitere Temperaturabsenkung eintritt (EUGSTER & RYBACH 1997). Man geht davon aus, dass es infolge des Temperaturgradienten im Boden zu Warmetransportvorgangen in Richtung des niedrigeren Temperaturniveaus kommt. Das System Erdwarmesonde/Warmepumpe arbeitet umso wirtschaftlicher, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen dem Primarkreislauf und der Nutzungsanlage ist. Am wirtschaftlichsten ist daher ein Niedrigtemperatur-Heiz-
system (Fu:Bbodenheizung). Die Wirtschaftlichkeit kann durch die sog. Jahresarbeitszahl (JAZ) ausgedruckt werden, d. i. das Verhaltnis aus Heizwarme und der, der Warmepumpe und den anderen Aggregaten zugefuhrten Fremdenergie. Mit einer gut ausgelegten Anlage konnen mit 1 kWh Strom (fUr die Warmepumpe) bis zu 4 kWh Warme erzeugt werden, was einer Jahresarbeitszahl von 4 entspricht. Einen Spezialfall der Erdwarmesonden stellen die sog. Energiepfahle dar, die mit innenliegenden Warmetauscherrohren (Absorberleitungen) ausgestattet sind (s. Abschn. 8.1.2). Auch andere erdberuhrte Betonbauteile, wie Schlitzwande oder Grundungsplatten konnen als Energiespeicher herangezogen werden (KATZENBACH et a1. 1998; VON DER HUDE & KAPP 1998; KALTSCHMITT et a1. 1999; WITTKE & SCHMITT 2005, 2007 und VDI 4640: 2). Zu den geschlossenen Systemen zahlen auch die meist nur bis 2,5 m unter Gelande verlegten Erdwarmekollektoren. Sie funktionieren nach dem gleichen Prinzip wie die Erdwarmesonden und nutzen die von der Sonne eingestrahlte Warmeenergie. Die entziehbaren Warmeleistungen liegen je nach Bodenbeschaffenheit zwischen 10 und 35 W/m 2 (Tabelle 20.3 und VDI 4640: 2). Ihr Nachteil ist der relativ gro:Be Flachenbedarf, die niedrigen Bodentemperaturen sowie die schlechte Warmeleitfahigkeit und damit geringe entziehbare Warmeleistung in der ungesattigten Bodenzone. Bei den sog. Grabenkollektoren, bei denen die Warmeubertragerrohre an den abgeschragten Seitenwanden eines Grabens verlegt werden, ist der Flachenbedarf geringer. Ein War-
Tabelle 20.3 Mit Erdwarmekollektoren entziehbare Warmemengen (aus KALTSCHMITT et al. 1999: 64). Bodenart
entzogene Wiirmeleistung [W1m' )
trockener sandiger Boden
10- 15
feuchter sandiger Boden
15-20
trockener lehmiger Boden
20- 25
feuchter lehmiger Boden
5-30
wassergesattigter Sandi Kies
30- 40
o
644
meentzug durch derart oberflachennahe Systeme kann zu begrenzten Auswirkungen auf die Vegetation fiihren, d. h. zu einer Verkiirzung der Vegetationsperiode. Eine flachensparende Alternative sind die sog. Erdwlirmekorbe, spiralformige Rohrsysteme, die vertikal in Tiefen von 3 bis 6 m eingebaut werden und Temperaturen zwischen 6 und 10 °C liefern (SASS 2007; BITZER & STORZ 2008).
20
2 Off n Systeme
Grundwasser-Warmepumpen sind offene Systeme mit Grundwasserforderung (Brunnenanlagen), bei denen das Grundwasser direkt der Warmepumpe zugefiihrt wird, welche die Warmeenergie iiber den Warmetauscher auf den Sekundarkreislauf iibertragt. In der Regel werden dafiir sog. Brunnen-Dubletten gebaut, mit einer Entnahmebohrung und einer Versenkbohrung, in der nach dem Warmeentzug das Wasser wieder versickert wird. Voraussetzung ist ein geeigneter Grundwasserleiter. Die Ergiebigkeit beider Brunnen ist mittels Pumpversuchen nachzuweisen (s. Abschn. 2.8.4). Gefordert werden etwa 0,25 m 3 jh fiir jedes Kilowatt Verdampferleistung. Die Warmepumpe muss so gefahren werden, dass die Riicklauftemperatur nicht unter 3 °C absinkt. Der Entnahmebrunnen darf nicht in der Kaltefahne der Versenkbohrung stehen. Brunnensysteme dieser Art konnen bis in Tiefen von etwa 400 m vorgesehen werden. Sie bediirfen generell einer wasserrechtlichen Erlaubnis. Einzelheiten iiber den Brunnenausbau S. VDI 4640: 2.
20.2 1 3 on ti e Sv teme Als sonstige Systeme gelten Anlagen, in denen Z. B. Tunneldranwasser oder Wasser aus aufgelassenen Bergwerken bzw. das temperierte Abwasser von Kanalsystemen als Warmequelle genutzt werden (s. a. VDI 4640: 2). Ober die Nutzung des Warmwasserreservoirs stillgelegter Bergwerke liegen bereits einige Erfahrungen vor (ROSNER et al. 2006, 2009). Aufgelassene und geflutete Bergwerke in Tiefen von 300 bis 800 m bieten ein groBes Volumen an Gruben- bzw. Grundwasser mit Temperaturen von 20 bis 30°C, hohe Gebirgsdurchlassigkeit und
20 Geotechnische Aspekte der Geothermie
meist gute Zuganglichkeit iiber die ehemaligen Schachtanlagen. Ober die Nutzung der sog. Tunnelgeothermie liegt eine Studie aus der Schweiz vor (Tunnel 2009: 2, S. 44-47). Die Tunnelwasser weisen je nach Tiefenlage Temperaturen von 12 bis 25°C, teilweise 35°C auf(s. Abschn. 17.2.5.1}. Dariiber hinaus erschlieBen Tunnelbauwerke iiber ihre groBen Wandflachen erhebliche Energiemengen, die iiber Absorberleitungen zwischen der Spritzbetonschale und der Innenschale (WITTKE & SCHMITT 2007; HOFMANN & SCHMITT 2010) oder bei einschaliger Bauweise iiber sog. Energietiibbinge (GAMPER et al. 2009) gewonnen werden kann. Eine Dbersicht iiber den Stand der Forschung bringen SCHNEIDER & MOOR MANN (201O). Ein anderes innovatives System ist die CO 2 Erdwiirmesonde, bei der in einer Art Koaxialsonde als Warmetragermedium CO 2 zirkuliert. Unter hohen Druck stehendes fliissiges CO 2 nimmt auf dem Weg in die Tiefe Warme auf, bis es bei etwa 10 K verdampft und wieder aufsteigt. 1m Sondenkopf gibt das CO 2 -Gas seine Warme an einen Tauscher ab, kondensiert und rinnt fliissig wieder in die Tiefe, wo der Kreislauf erneut beginnt. Da das System keine Kaltemittel enthalt, kann es auch in Grundwasserschutzgebieten eingesetzt werden, wo herkommliche Erdwarmesonden nicht zum Einsatz kommen konnen (tis 2008:6).
20.2.2 Tiefe geothermische Systeme Bei der tiefen Geothermie wird iiber Tiefbohrungen die geothermische Energie in der Regel direkt genutzt, d. h. ohne Zwischenschaltung einer Warmepumpe. Dabei werden drei Systeme unterschieden: Tiefe Sondensysteme Hydrothermale Systeme Petrothermale Systeme
o2
lefe Erdwarmesonden
Tiefe Erdwarmesonden sind immer mit einem erheblichen ErschlieBungsrisiko und Aufwand
645
20.2 Geothermische Verfahren
20 Bohrung 26" (-660 mm) Standrohr 22" (-559 mm)
Bohrung 17 112" (-444 mm) An kerrohrtour AD 16" (-406 mm)
Bohrung 14 314· (-375mm) Schutzrohrtour AD 11 314" (-298 mm)
--496m
,•
, - - 1475m --1575m
Bohrung 10 5/8" (-270 mm) Sch utzrohrto ur AD 8 5/8" (-219 mm)
- - 2800m
verbunden (HERZOG et al. 2008). Da die Gebirgsdurchlassigkeit in Tiefen ab 1000 m haufig bei 10-8 bis 10-9 mls liegt, ist eine wirtschaftliche Nutzung der geothermischen Energie nur mittels Sondenanlagen mit geschlossenen Warmetauschersystemen moglich. Das Warmetragermedium wird iiber den aufieren Ringraum langsam in die Tiefe gepumpt, entzieht dabei durch die Rohrwandung und dem Verfiillmaterial dem Gebirge Energie und steigt in dem isolierten 1nnenrohr nach oben, wo es auf etwa 15°C abgekiihlt und wieder in den Kreislauf zuriickgefiihrt wird (Abb. 20.4). Durch den Warmeentzug kiihlt das umgebende Gebirge etwas ab, wodurch sich ein Temperaturgradient zur Sonde hin ausbildet und Warme aus der weiteren Umgebung nachfliefit. Die Leistung der Erdwarmesonde (in W/m) sollte die jahrliche geothermische Ergiebigkeit des Untergrundes (in kWh/(m· a) nicht iiberschreiten. Die nutzbare Energiemenge hangt ab von den thermischen Eigenschaften des Untergrundes,
Abb. 20.4 Schema einer Sondenanlage fUr tiefe Geothermie in gering durchlassigem Gebirge (nach DALDRUP & KLAPPERICH 2009).
d. h. dem Temperaturgradient (bei 2800 m etwa 85°C) und der Warmeleitfahigkeit, sowie dem Sondenausbau. Giinstig sind groBe Mantelflachen fiir den Warmeaustausch und eine langsames Abwartsfliefien des Mediums.
0.2.2.2 H drothermale S steme Fiir die direkte Nutzung warmer (> 60°) bzw. heifier (> 100°) Tiefenwasser ist dagegen auBer der Temperaturzunahme mit der Tiefe besonders die Leistungsfahigkeit des zur Verfiigung stehenden Aquifers entscheidend. Bevorzugte Gebiete fiir die Nutzung der hydrothermalen Erdwarme sind daher Teile des Norddeutschen Beckens, wo einige thermalwasserfiihrende, allerdings salzhaltige Porenspeicher bekannt sind (s. POPPEI & FISCHER 1997), das siiddeutsche Molassebecken, der Oberrheingraben und andere Regionen mit machtigen fluvioglazialen Ablagerungen. 1m Molassebecken gibt es z. B. drei salzarme, ther-
646
male Grundwasserstockwerke, die Obere Meeresmolasse, den Oberjura (ehem. MaIm) und den Oberen Muschelkalk. Bei den hydrothermalen Systemen handelt es sich in der Regel urn offene Systeme mit direkter Verwendung des warmen oder heigen Wassers. Die Leistung einer solchen Anlage ist in erster Linie von der Forderrate und der Temperatur des Formationswassers abhiingig. Allgemein wird bei einer vertraglichen Absenkung eine Mindestforderrate von 100 lis vorausgesetzt. Fiir Heizzwecke (meist Fernheizanlagen) werden Ausgangstemperaturen von 40 bis 100°C benotigt. Fiir Stromerzeugung und Prozesswarme soUte die Mindesttemperatur 100 bis 120°C betragen, was bei einem geothermischen Gradienten von 3 K/100 m eine Bohrtiefe von etwa 4000 m bedeutet. Angestrebt werden Ausgangstemperaturen von 150°C und mehr, so dass derartige Projekte bevorzugt in Gebieten erhohter geothermischer Tiefenstufe geplant werden. Zu beachten sind ferner der Wasserchemismus und eine etwaige Gasfiihrung, die eine thermische Nutzung erschweren. Bei den offenen Systemen sind jeweils mindestens zwei Bohrungen (sog. Dubletten) erforderlich, wobei in einer Bohrung das heige Wasser gefordert und in der anderen Bohrung das abgekiihlte Wasser wieder dem Kreislauf in der Tiefe zugefiihrt wird. Dabei miissen die Bohrlochenden einen ausreichend groBen Abstand voneinander haben, damit sich das riickgefiihrte Wasser geniigend aufheizen kann. Aus Platzgriinden und urn entsprechend durchlassige Gebirgsabschnitte zu erreichen, werden hydrothermale Geothermiebohrungen haufig abgelenkt und auf tektonisch gest6rte Zonen ausgerichtet (SCHULZ 2004). Dber die Wasserwegsamkeiten tektonischer Storungszonen s. Abschn. 17.2.5.2. 1m Verbreitungsgebiet der siiddeutschen Molasse, einer keilfOrmig nach Siiden bis auf 4000 m zunehmenden BeckenfiiUung nordlich der Alpen, sind zwischenzeitig einige Anlagen in Betrieb, wie z. B. das Geothermie-Heizwerk Erding mit zwei Bohrungen > 2000 m in Kalksteinen des Oberjura, das Warmeprojekt Garching mit zwei Bohrungen von 2165 und 2450 m Tiefe (DALDRUP & KLAPPERICH 2009) und auch das Geothermie-Kraftwerk Unterhaching mit einer Bohrtiefe von 3350 m, einer Wassertemperatur von 122°C und einer Ergiebigkeit von 150 lis. Der
20 Geotechnische Aspekte der Geothermie
Vorteil der Region Molassebecken ist, dass in den verkarsteten Jurakalksteinen das Formationswasser auch in iiber 2000 m Tiefe noch annahernd Trinkwasserqualitat hat und damit kaum ein Korrosionspotenzial gegeniiber Stahlrohren aufweist, im Gegensatz zu Gebieten wie dem Norddeutschen Becken und dem Oberrheingraben, wo aggressive Formationswasser und erhohte Gasgehalte (s. Abschn. 16.7.6) zu Verschleig an Bauteilen und zu Ablagerungen im Thermalkreislauf fiihren konnen. Der Oberrheingraben, der zunachst als giinstiger Standort fiir tiefe Geothermie angesehen worden ist, hat u. a. wegen seiner komplizierten tektonischen Strukturen, die einen sehr hohen Vorerkundungsaufwand erfordern, etwas an Attraktivitat verloren. Derzeit lauft jedoch das Forschungsprojekt "Geopotenziale des tiefen Untergrunds im Oberrheingraben" (GeORG), das weiterfiihrende Erkenntnisse erwarten lasst (www.geopotenziale.en).lm Oberrheingraben stehen zwei Formationen zur Nutzung, die mesozoischen Sedimentgesteine und das Grundgebirge. 1m ersteren Stockwerk werden meist hydrothermale Tiefenwasser genutzt. Das Grundgebirge gilt als Standort fiir die Nutzung heiBer trockener Gesteinsformationen. Bei Landau ist seit Ende 2007 ein hydrothermales Geothermiekraftwerk in Betrieb, das aus etwa 3000 m Tiefe 155° heiges Wasser mit einer Ergiebigkeit von 70 lis fordert. 1m August und September 2009 sind hier in unmittelbarer Nahe zum Kraftwerk zwei Erdbeben der Starke M = 2,7 und 2,4 aufgetreten (s. Abschn. 4.2.3.2), die Veranlassung waren, das Kraftwerk einige Monate stillzulegen und danach fiir den weiteren Probebetrieb der Anlage den Hochstdruck vorsorglich auf 45 bar zu begrenzen. Die vorbereitenden Arbeiten zur Umsetzung eines tiefen Geothermie-Projekts bis hin zum Abteufen der ErschlieBungsbohrung erfordern umfangreiche geowissenschaftliche Erkundungsarbeiten hinsichtlich der Standortverhaltnisse, dem Gebirgsbau und den tektonischen Strukturen (Geophysik), dem Temperaturfeld, der Warmeleitfahigkeit, der Gebirgsdurchlassigkeit und dem Chemismus des Formationswassers sowie dem lokalen Spannungsfeld, einschlieBlich der seismotektonischen Situation und der mechanischen Gesteinseigenschaften. Die Tiefbohranlagen miissen fiir die unterschiedlichen, oft
20.3 Bergrechtliche und wasserrechtliche Grundlagen
stark wechselnden Gesteinsformationen ausgelegt sein, angefangen von nichtbindigen Lockergesteinen bis zu ext rem harten und abrasiven kristallinen Gesteinen (s. Abschn. 17.2.8 und DALDRUP & KLAPPERICH 2009). Dabei ist auch die Stabilitat der Bohrlocher zu beachten. Unterschieden werden eine gefiigebedingte Bohrlochinstabilitat, die in erster Linie von der Orientierung der Trennflachen abhangig ist, sowie eine festigkeitsbedingte Bohrlochinstabilitat, die von den Tangentialspannungen am Bohrlochrand und der einaxsialen Gesteinsdruckfestigkeit abhangt (ALBER et a1. 2007; WITTHAUS & LEMPP 2009 und Abschn. 2.6.9.2).
20 2 2 3 Troc ene petrothe m I System Unter trockenen Systemen werden Gebirgsbereiche verstanden, in denen nicht geniigend Grundwasser zirkuliert, urn eine hydrothermische Nutzung iiber mehrere Jahre zu gewahrleisten. Bei tiefen Geothermiebohrungen in solchen Gebirgen mit unzureichendem Wasserdargebot wird in der Regel das Hot-Dry-Rock-Verfahren (HDR) oder das Enhanced Geothermal System (EGS) eingesetzt, bei dem im Zielhorizont unter hohem Druck Wasser in das Gebirge eingepresst wird (sog. Wasserfractechnik), wodurch vorhandene Kliifte hydraulisch aufgesprengt werden und sich neue Risse bilden. Damit die Risse iiber langere Zeit offen bleiben, werden z. T. Stiitzmittel (Feinkies) eingepresst. Das Verfahren wurde bis jetzt vorwiegend in kristallinem Gebirge gro6er Machtigkeit angewendet, das auch in dies en Tiefen noch eine natiirliche Kliiftung aufweist. Die aufgewerteten und aufgerissenen Kliifte sind in der Regel senkrecht zur kleinsten Gebirgsspannung orientiert (s. Abschn. 2.6.9), d. h. dass sich in diesen Tiefen bevorzugt ± vertikale Kliifte Mfnen bzw. ausbilden werden. Sie konnen eine Erstreckung von mehreren 100 m erreichen. Insgesamt muss das Risssystem eine gewisse Warmeaustauschflache bzw. Warmeaustauschkubatur aufweisen, was z. B. fiir ein Zwei-Bohrloch-System einen Bohrlochabstand von etwa 1 km und freie Bohrlochabschnitte von etwa 300 m erfordert. Zur Abschatzung der Fracbarkeit dienen Versuche zur Bestimmung der hydraulischen Zugfestigkeit. Dazu wird an zylindri-
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schen Gesteinsproben iiber eine kleinkalibrige axiale Injektionsbohrung Wasser eingepresst, bis es zu einem Versagen am Bohrlochrand kommt (ALBER et a1. 2007). Granite zeigen allgemein ein sehr sprodes Bruchverhalten, wahrend Gneise und viele Sedimentgesteine sich mehr duktil verhalten (s. Abschn. 2.6.10.2). Insgesamt sind nach bisheriger Fachmeinung sowohl granitische und metamorphe Gesteine als auch Sedimentgesteine fUr HDR-Projekte geeignet. In Gebieten mit natiirlicher Seismizitat konnen durch tiefe Hochdruck-Injektionsma6nahmen Erschiitterungen ausgelost werden (sog. induzierte Seismizitat, s. Abschn. 4.2.3.1). In diesen Regionen sollte vorab der zustandige Erdbebendienst eingeschaltet werden. Notigenfalls miissen die Injektionsdrucke bzw. die Injektionsmengen beschrankt werden. In das hydraulisch induzierte Kluftsystem wird kaltes Wasser eingepumpt, das sich in dem hei6en Gestein bis auf 100-200°C erhitzt und iiber eine Forderbohrung als Hei6wasser oder Wasserdampf gewonnen wird (Einzelheiten s. KALTSCHMITT et a1. 1999). Dber die Ergebnisse der ersten Hot -Dry-Rock -Forschungsbohrung bei Urach in den Jahren 1977-1982/83 mit einer Tiefe von 3488 m berichten VILLINGER (1982) und SCHADEL & STOBER (1983). Ein anderes kurz vor der Realisierung stehendes Hot-DryRock Projekt ist Promotheus I in Bochum, eine 4000 m -Bohrung in die gefalteten Sedimentgesteine des Ruhrkarbons, wo ein Temperaturniveau von llS °C erwartet wird (ALBER et a1. 2007).
20.3 Bergrechtliche und wasserrechtliche Grundlagen Die wesentlichen Rechtsgrundlagen fUr den Bau und Betrieb von Erdwarmeanlagen bilden das Wasserhaushaltsgesetz (WHG) in Verbindung mit den jeweiligen Landeswassergesetzen sowie das Bundesberggesetz (BBergG) und das Lagerstattengesetz (s. Abschn. 4.4.1). Die bergrechtlichen Anzeige- und Genehmigungspflichten gelten unabhangig von der wasserrechtlichen Anzeigepflicht bzw. dem Erlaubnisverfahren. Fiir die ent-
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sprechenden Antrage ist der Grundstiickseigner verantwortlich, der diese Aufgabe delegieren kann.
20.3.1 Bergrecht Nach dem Bundesberggesetz (BBergG) wird die Erdwarme den bergfreien Bodenschatzen gleichgestellt. Bergfrei bedeutet, dass sieh das Eigentum an einem Grundstuck nieht auf eventuell im Untergrund dieses Grundstucks befindliche Bodenschatze erstreckt. Damit gehort Erdwarme nieht zum Eigentum des Grundbesitzers, sondem der Allgemeinheit (dem Staat) und unterliegt dem Bergrecht. Wer in einem bestimmten Gebiet einen bergfreien Bodenschatz erkunden will, benotigt dafUr eine bergrechtliche Erlaubnis und wer diesen Bodenschatz gewinnen will, braucht eine bergrechtliche Bewilligung oder das Bergwerkseigentum. Ausgenommen von dieser Rechtslage sind nach § 4 BBergG in den meisten Bundeslandem oberflachennahe Erdwarmeprojekte, wenn diese auf dem eigenen Grundstuck liegen, im Zusammenhang mit dessen baulieher Nutzung stehen und keine gewerbliehe Verwendung der Energie uber die Grundstticksgrenze hinaus erfolgt. Fur diese Vorhaben besteht nur eine Anzeigepflieht nach dem Lagerstattengesetz. Bei Erdwarmeprojekten mit Bohrungen von mehr als 100 m Tiefe und bei grundstuckstibergreifender ErdwarmeerschlieBung ist in jedem Fall ein bergrechtliehes Verfahren durchzufUhren. Auf die AusfUhrungen des Bund-LanderAusschuss Bergbau uber die Kriterien fUr die Bemessung von Bergbauberechtigungen zur Aufsuchung und Gewinnung von Erdwarme (2002) wird verwiesen.
20.3.2 Wasserrecht Da bei Erdwarmesonden (EWS) Grundwasser weder entnommen noch eingeleitet wird und der Warmeentzug in der Regel nur in einem begrenzten, unerheblichen AusmaB stattfindet, wird in diesem Zusammenhang die Frage nach einer Gewasserbenutzung nach dem Wasserhaushalts-
20 Geotechnische Aspekte der Geothermie
gesetz (WHG, S. Abschn. 4.4.1) in den Bundeslandem unterschiedlich gehandhabt (s. BITZER & STORZ 2008). Wo eine Gewasserbenutzung zugrunde gelegt wird, ist eine wasserrechtliche Erlaubnis zu beantragen (s. a. VDI 4640, Blatt 1). Das Abteufen einer Bohrung und das Anbohren der Grundwasseroberflache fUr Erdwarmesondenanlagen eines Ein- oder Zweifamilienhauses stellt in der Regel keinen Benutzungstatbestand dar und es genugt eine sowieso erforderliche Anzeige bei der Unteren Wasserbehorde der Kreisverwaltung. Bei einer solchen Anzeige sind in der Regel bereits Angaben uber das Projekt und uber die Bohrtechnik sowie tiber die zu erwartende Schiehtenfolge und die Grundwasserverhaltnisse zu machen. Letztere konnen den in Abschn. 20.1 genannten Unterlagen oder den geologischen oder hydrogeologischen Karten entnommen bzw. nach Erfahrungen aus benachbarten Bohrungen benannt werden. 1m Rahmen des Anzeigeverfahrens (oder einer Voranfrage) kann auch entschieden werden, ob etwa auf Grund der ortlichen hydrogeologischen Situation eine weitergehende Erlaubnispflieht besteht. Fur die Beurteilung, ob die Erriehtung einer geothermischen Anlage nach dem Wasserrecht zulassig und welches Genehmigungsverfahren durchzufuhren ist, sind in erster Linie hydrogeologische Kriterien maBgebend. In Trinkwasser- und HeilqueUenschutzgebieten sind sowohl die hydrogeologischen Verhaltnisse, als vor allen Dingen auch die Schutzgebietsbestimmungen zu beachten (s. Abschn. 4.4.1). In den Schutzzonen I und II sowie in den engeren Zustrombereiehen von Mineralwasserbrunnen ist der Bau von Erdwarmesonden grundsatzlich nieht zulassig. In den Schutzzonen III, IlIA und IllB und im weiteren Zustrombereich von Mineralwasserbrunnen konnen Erdwarmeanlagen im Einzelfall zugelassen werden, wenn die Erdwarmesonde in einem Geringleiter steht bzw. eine eindeutige hydraulische Trennung der verschiedenen Stockwerke gewahrleistet ist. Der Einsatz von Warmetragerflussigkeiten mit Glykol ist in dies en Schutzzonen nieht oder nur bedingt zulassig. Auch bei sonstigen Gewinnungsanlagen ohne Schutzgebiete (z. B. Hausbrunnen oder Quellen, aber auch nieht anerkannte Mineralwasserbrunnen) ist die hydrogeologische Situation entsprechend zu prufen und zu berucksiehtigen.
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20.3 Bergrechtliche und wasserrechtliche Grundlagen
Zu den hydrogeologisch giinstigen Gebieten, in denen in der Regel keine wasserrechtliche Erlaubnispflicht besteht, zahlen Gebiete mit schlechter bis mittlerer Gebirgsdurchlassigkeit ohne ausgepragte Stockwerksbildung. Solche Gebiete sind z. B. kristalline Grundgebirge und palaozoische Gesteine. Fur Verbreitungsgebiete mit Gesteinen des Buntsandsteins, des Unteren und Mittleren Muschelkalks, des Keupers, des Mittel- und Unterjuras, des Tertiars und gebietsweise auch machtiger fluvioglazialer Kiese und Sande gilt dies nur fUr Bohrungen bis zu einer bestimmten Tiefe. Bei moglicher Stockwerksbildung und besonders bei Verdacht auf gespannte Grundwasserleiter ist auch hier eine Einzelfallprufung erforderlich. Zu den eingeschrankt giinstigen bis problematischen Gebieten, in denen im Rahmen des wasserrechtlichen Verfahrens mit besonderen Auflagen zu rechnen ist, zahlen auch Kalksteinund dickbankige Sandsteinformationen, die in der Regel starkere Kluftung und entsprechende Wasserwegigkeit aufweisen. Ais hydrogeologisch sensible Gebiete, in denen die ortlichen Untergrundverhaltnisse im Einzelfall sorgfaltig zu prufen sind, gelten: Karstgrundwasserleiter und andere Aquifere mit sehr hoher Gebirgsdurchlassigkeit und hohen FlieBgeschwindigkeiten Gebiete mit weitraumig wirksamen, getrennten Grundwasserstockwerken Gebiete mit artesisch oder subartesisch gespannten Grundwasserleitern Gebiete mit quellfahigen Gesteinen (Anhydrit) im Untergrund Bergbaugebiete, auch Altbergbau Gebiete mit Verdacht auf Bodengasaustritte (bes. CO 2 oder Methan, s. Abschn. 4.3.3 und 16.7.6) Gebiete mit schadlichen Boden- und Grundwasserveranderungen sowie Altlasten Rutschungsgebiete Regionen naturlicher Seismizitat Tektonische Strukturen mit Verdacht auf Mikroseismizitat oder auf tektonische Gebirgsauflockerung. Bei den Bohrarbeiten und dem Betreiben der Erdwarmeanlage ist sicherzustellen, dass keine Veranderungen der Grundwasserbeschaffenheit auftreten (z. B. nicht erlaubte Spiilungszusatze
oder Verluste von Warmetragermittel) und hydraulische Verbindungen zwischen zwei oder mehreren Grundwasserstockwerken ausgeschlossen werden. Notigenfalls ist auch die Bohrlochabweichung zu kontrollieren. Weitere haufige Mangel bei Geothermiebohrungen sind unsachgem aBe Verrohrung oder unzureichende technische Ausrustung zum Beherrschen gespannter Grundwasserstockwerke (Abschn. 4.6), von groBeren Spiilungsverlusten in stark kluftigem oder verkarstetem Gebirge bzw. zum Verpressen des Ringraums, urn hydraulische Kurzschlusse und Ausspiilungen zu vermeiden. In Wiesbaden ist 2009 bei einer Geothermiebohrung in 110 m Tiefe ein mit etwa 7 bar artesisch gespanntes Grundwasserstockwerk angefahren worden, mit einem fontaneartigen Austritt von fast 6000 lImin. Die Bohrung stand wahrscheinlich in einem sog. Grundwasserzustrom-Gebiet, dessen tieferes Grundwasserstockwerk im Tertiar von einem hoher gelegenen Einzugsgebiet eingespeist wird (s. Abschn. 4.6).
20.3.3 Weitere umwelt~echtliche EinflUsse Tiefe Geothermiebohrungen k6nnen in bestimmten Situationen kleinere Erdbeben auslOsen (s. Abschn. 4.2.3.2). Bei derartigen Projekten muss deshalb die seismotektonische Situation friihzeitig entweder aus der geologischen Situation oder mittels Geophysik erkundet und in das Genehmigungsverfahren einbezogen werden. N6tigenfalls muss im Friihstadium der Planung eine Messstation zum Erfassen der natiirlichen Mikroseismizitat eingerichtet werden Besondere Vorsicht ist in anhydritfiihrenden Gebirgen geboten. Anhydrit darf nicht mit iiber das Bohrloch auf- oder absteigendem Wasser in Kontakt kommen, da sonst ein Hydratationsprozess in Gang gesetzt werden kann (s. Abschn. 19.2.2.1 und SASS 2009). Die Tendenz bei den Genehmigungsverfahren geht dahin, in derartigen Regionen (z. B. Verbreitungsgebiet des Oberen Buntsandstein (gebietsweise), des Gipskeuper und des Mittleren Muschelkalk aber auch anderer anhydritfiihrender Formationsglieder) Bohrungen nur bis in das Niveau des Gipsspiegels zu erlauben und eine entsprechende fachliche Be-
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treuung der Bohrarbeiten zu fordern. Anhydritfiihrendes Gebirge darf mit den iiblichen Bohrverfahren nicht angebohrt werden. In Gebieten mit nicht bekannten oder engriiumig wechselnden geologischen und hydro-
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geologischen Verhiiltnissen kann vorab eine Erkundungsbohrung erforderlich werden, urn die zuliissige Sondentiefe festzulegen.
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Anhang
Nachstehend sind die wichtigsten einschlagigen Normen einschlieBlich vorliegender Normenentwilrfe (E) sowie Vornormen (V) zusammengestellt. Einige Normen wurden zuriickgezogen (Z) Fiir die Vollstandigkeit der Angaben kann keine
Gewahr tibernommen werden, s. Abschn. l.2. Eine Mitteilung tiber die Uberarbeitung von Normen erfolgt in der Zeitschrift "geotechnik" (jeweils Ausgabe Nr. 2).
1 Deutsche Fassung europaischer Normen Norm
Titel
DIN EN 932-1
1996
PrGfverfahren fUr allgemeine Eigenschaften von Gesteinkornungen leil 1: Probenahmeverfahren
DIN EN 932-2
1999
leil 2: Verfahren zum Einengen von Laboratoriumsproben
DIN EN 932-3
2003
leil 3: DurchfUhrung und lerminologie einer vereinfachten petrographischen Beschreibung
DIN EN 933-1
1997
Prufverfahren fUr geometrische Eigenschaften von Gesteinskornungen leil 1: Bestimmung der KorngroBenverteilung; Siebverfahren
DIN EN 933-2
1996
Teil 2: Bestimmung der KorngroBenverteilung; Analysensiebe, NennmaBe der Sieboffnungen
DIN EN 933-3
2003
Teil 3: Bestimmung der Kornform; Plattigkeitskennzahl
DIN EN 933-4
1999
lei! 4: Bestimmung der Kornform; Kornformkennzahl
DIN EN 933-5
2005
Teil 5: Bestimmung des Anteils an gebrochenen Kornern in groben Gesteinskornungen
DIN EN 1097-1
2010
DIN EN 1097-2
2010
Teil 2: Verfahren zur Bestimmung des Widerstandes gegen Zertrummerung
DIN EN 1097-5
200B
Teil 5: Bestimmung des Wassergehaltes durch OfenIrocknung
E
Prufverfahren fUr mechanische und physikalische Eigenschaften von Gesteinsk.ornungen - Teil 1: Bestimmung des Widerstandes gegen VerschleiB (Micro-Devall
698
Anhang
Norm
Ausgabe
Status
litel
DIN EN 1097-6
2010
E
Teil 6: Bestimmung der Rohdichte und der Wasseraufnahme
DIN EN 1097-10
2002
Teil 10: Bestimmung der Wassersaughohe
DIN EN 1367-1
2000
Priifverfahren fUr thermische Eigenschaften und Verwitterungsbestandigkeit von Gesteinskornungen Teil 1: Bestimmung des Widerstandes gegen Frost-TauWechsel
DIN EN 1367-3
2001
Teil 3: Kochversuch fUr Sonnenbrand-Basalt; Berichtigung 1:2004
DIN EN 1536
1999
Ausfiihrung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) - Bohrpfahle
DIN EN 1537
2001
AusfUhrung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) - Verpressanker; dazu Anwendungsdokument DIN 18537, E 2010
DIN EN 1538
2000
AusfUhrung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) - Schlitzwande
DIN EN 1918-1
1998
Gasversorgungssysteme - Untertagespeicherung von Gas Teil 1: Funktionale Empfehlungen fUr die Speicherung in Aquiferen
DIN EN 1925
1999
Priifverfahren fUr Naturstein - Bestimmung des Wasseraufnahmekoeflizienten infolge Kapillarwirkung
DIN EN 1926
1999
Priifverfahren fUr Naturstein - Bestimmung der Druckfestigkeit
DIN EN 1936
1999
Priifverfahren fUr Naturstein - Bestimmung der Reindichte, der Rohdichte, der oflen en Porositat und der Gesamtporositat
EN 1990
2002
Eurocode; Grundlagen der Tragwerksplanung
DIN EN 1990/A 1
2006
Nationaler Anhang zU EN 1990
EN 1991
2002
Eurocode 1; Einwirkungen auf Tragwerke
DIN EN 1991-1-1
2010
Eurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke Teil 1-1: Allgemeine Einwirkungen aufTragwerkeWichten, Eigengewicht und Nutzlasten im Hochbau; Deutsche Fassung EN 1991-1-1:2002 + AC:2009
DIN EN 1991-1-1/NA
2010
Nationaler Anhang - National festgelegter ParameterEurocode 1: Einwirkungen auf Tragwerke Teil 1-1: Allgemeine Einwirkungen auf Tragwerke Wichten, Eigengewicht und Nutzlasten im Hochbau
DIN EN 1997-1
2008
Eurocode 7 - Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik Teil 1: Allgemeine Regeln
------
699
Anhang
Norm
Ausgabe
Status
Titel
DIN EN 1997-1/NA
2009
E
Nationaler Anhang zu EC 7,leil 1: Allgemeine Regeln
DIN EN 1997-2
2007
DIN EN 1997-2/NA
2010
DIN EN 1998-1
2006
Eurocode 8 - Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben - leil 1: Grundlagen; Erdbebeneinwirkungen und Regeln fUr Hochbauten (s. d. Abschn. 4.2.3)
DIN EN 1998-1 INA
2010
Nationaler Anhang National festgelegt Parameter Eurocode 8: Auslegung von Bauwerken gegen Erdbeben Teil 1: Grundlagen, Erdbebeneinwirkungen und Regeln fOr den Hochbau
DIN EN ISO 12056
2005
Geotextilien und geotextilverwandte Produkte - Bestimmung der charakteristischen Offnungsweite
DIN EN 12063
1999
DIN EN 12371
2002
PrOfverfahren fOr Naturstein - Bestimmung des Frostwiderstandes
DIN EN 12407
2000
PrOfverfahren fUr Naturstein - Petrografische PrOfung
DIN EN 12620
2003
Gesteinskornungen fUr Beton
DIN V EN V 12656
1999
V
Geoinformation - Datenbeschreibung - Qualitat
DIN V EN V 12657
1999
V
Geoinformation - Datenbeschreibung - Metadaten
DIN V EN V 12658
1999
V
Geoinformation - Datenbeschreibung - Ubertragung
DIN EN 12699
2001
AusfUhrung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) - Verdrangungspfahle
DIN EN 12699 Berichtigung 1
2010
AusfUhrung spezieller geotechnischer Arbeiten (Spezialtiefbau) - Verdrangungspfahle Deutsche Fassung EN 12699:2000, Berichtigung zu DIN EN 12699:2001-05
DIN EN 12715
2000
AusfUhrung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) - Injektionen
DIN EN 12716
2001
AusfUhrung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) - DOsenstrahlverfahren ; Hochdruckinjektion, Hochdruckbodenvermortelung, Jetting
DIN EN 12794
2009
AusfOhrung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) - Betonfertigpfahle
Eurocode 7 - Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik leil 2: Erkundung und Untersuchung des Baugrunds E
E
Nationaler Anhang - National festgelegte Parameter zu EC 7, Teil 2: Erkundung und Untersuchung des Baugrunds
AusfOhrung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) - Spundwandkonstruktionen
700
Anhang
Norm
Ausgabe
DIN EN 13249
2005
DIN EN 13251
2011
E
Geotextilien und geotextilverwandte Produkte - Geforderte Eigenschaften fUr die Anwendung im Erd- und Grundbau sowie in StUtzbauwerken
DIN EN 13252
2011
E
Geotextilien und geotextilverwandte Produkte - Geforderte Eigenschaften fiir die Anwendung in Driinanlagen
DIN EN 13254
2011
E
Geotextilien und geotextilverwandte Produkte - Geforderte Eigenschaften fUr die Anwendung beim Bau von Riickhaltebecken und Staudammen
DIN EN 13361
2006
Geosynthetische Dichtungsbahnen - Eigenschaften fUr die Anwendung beim Bau von Riickhaltebecken und Staudammen erforderlich sind
DIN EN 13362
2005
Geosynthetische Dichtungsbahnen - Eigenschaften, die fUr die Anwendung beim Bau von Kaniilen erforderlich sind
DIN EN 13450
2003
Gesteinskornungen fUr Gleisschotter
DIN EN 13755
2002
Priifverfahren fUr Naturstein - 6estimmung der Wasseraufnahme bei atmosphiirischem Druck
DIN EN 14199
2005
AusfUhrung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) - Pfiihle mit kleinen Durchmessern (Mikropfahle)
DIN EN 14475
2006
AusfUhrung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) - Bewehrte Schiittkorper
DIN EN 14490
2010
AusfUhrung von Arbeiten im Spezialtiefbau Bodenvernagelung Deutsche Fassung EN 14490:2010
DIN EN 14679
2005
AusfUhrung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) - Tiefreichende Bodenstabilisierung
EN ISO 14688- 1
2003
Geotechnische Erkundung und Untersuchung - Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Boden - Teil 1: Benennung und 6eschreibung (ISO 14688-1 :2002)
EN ISO 14688-2
2004
Teil 2: Grundlagen fUr Bodenklassifizierungen (ISO 14688-2:2004 )
DIN EN ISO 14689- 1
2004
Geotechnische Erkundung und Untersuchung - Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Fels - Teil 1: 6enennung und Beschreibung (ISO 14689- 1:2003)
2003
AusfUhrung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) - Baugrundverbesserung durch Tiefenriiltelverfahren
mit Anderung A 100 DIN EN 14731
Status
litel Geotextilien und geotextilverwandte Produkte - Geforderte Eigenschaften fUr die Anwendung beim Bau von StraBen und sonstigen Verkehrsfliichen
701
Anhang
Norm
Ausgabe
Status
Titel
DIN EN 14794
2003
E
Ausfuhrung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) - Betonfertigpfahle
DIN EN 15237
2005
CEN ISO/TS 17892-1
2010
V
Geotechnische Erkundung und Untersuchung - Laborversuche an Bodenproben Teil 1: Bestimmung des Wassergehalts
CEN ISO/TS 17892-2
2005
V
Tei! 2: Bestimmung der Dichte feinkorniger Boden
CEN ISO/TS 17892-3
2005
V
Teil 3: Bestimmung der Korndichte - Pyknometerverfahren
DIN ISO/TS 17892-4
2005
V
Teil 4: Bestimmung der KorngroBenverteilung
DIN ISO/TS 17892-5
2005
V
lei! 5: Oedometerversuch mit stufenweiser Belastung
DIN ISO/TS 17892-6
2005
V
leil 6: Fa"kege!versuch
CEN ISO/TS 17892-7
2005
V
Teil 7: Einaxialer Druckversuch an feinkornigen Boden
DIN ISO/lS 17892-8
2005
V
lei! B: Unkonsolidierter undriinierter Triaxialversuch
DIN ISO/lS 17892-9
2005
V
Teil 9: Konsolidierte triaxiale Kompressionsversuche an wassergesattigten Boden
DIN ISO/TS 17892-10
2005
V
Teil 10: Direkter Scherversuch
DIN ISO/TS 17892-11
2005
V
Teil 11: Bestimmung der Durchlassigkeit mit konstanter und fa"ender Druckhohe
DIN ISOjTS 17892-12
2005
V
Teil 12:Bestimmung der Zustandsgrenzen
EN ISO 22282- I
2005
E
Geotechnische Erkundung und Untersuchung - Geohydraulische Versuche Tei! 1: Allgemeine Regeln
EN ISO 22282-2
2008
E
Teil 2: Wasserdurchlassigkeitsversuche in einem Bohrloch unter Anwendung offener Systeme
DIN EN ISO 22282-3
2008
E
Teil 3: Wasserdruckversuch im Fels
DIN EN ISO 22282-4
2008
E
Tei! 4: Pumpversuche
DIN EN ISO 22282-5
2008
E
Teil 5: Infiltrometerversuche
DIN EN ISO 22282-6
2008
E
Teil 6: Durchlassigkeitsversuche im Bohrloch mittels geschlossener Systeme
DIN EN ISO 22475-1
2007
DIN ISO/TS 22475-2
2007
V
leil 2: Qualifikationskriterien fUr Unternehmen und Personal
ISO/TS 22475-3
2008
V
Teil 3: Konformitiitsbewertung von Unternehmen und Personal durch eine Zertifizierungsstelle
AusfUhrung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) - Vertikaldrans
Geotechnische Erkundung und Untersuchung - Probenentnahmeverfahren und Grundwassermessungen leil 1: Technische Grundlagen der AusfUhrung
Anhang
702
Norm
Ausgabe
Titel
DIN EN ISO 22476-1
2005
DIN EN ISO 22476-2
2005
leil 2: Rammsondierungen
DIN EN ISO 22476-3
2005
leil 3: Standard Penetration lest
DIN EN ISO 22476-4
2005
E
leil 4: Pressiometerversuch nach MENARO
DIN EN ISO 22476-5
2005
E
leil 5: Versuch mit dem flexiblen Dilatometer
DIN EN ISO 22476-6
2005
E
leil 6: Versuch mit dem selbstbohrenden Pressiometer
DIN EN ISO 22476-7
2005
E
leil:7: Seitendruckversuch
DIN EN ISO 22476-8
2005
E
leil 8: Versuch mit dem Verdrangungspressiometer
DIN EN ISO 22476-9
2005
E
leil 9 FIOgelscherversuch
DIN EN ISO 22476-10
2005
leil 10: Gewichtssondierung
DIN ISO/lS 22476-11
2005
leil 11: Flachdilatometerversuch
DIN EN ISO 22476-12
2009
leil 12: Drucksondierungen mit mechanischen Messwertaufnehmern
DIN EN ISO 22476-13
2009
E
leil 13: Belastungsversuch mit FlachgrOndungen
DIN EN ISO 22477-1
2006
E
Geotechnische Erkundung und Untersuchung - PrOfung von geotechnischen Bauwerken und Bauwerksteilen leil 1: Pfahlprobebelastungen durch statische axiale Belastungen
DIN EN ISO 22477-5
2005
E
leil 5: AnkerprOfungen
E
Geotechnische Erkundung und Untersuchung - Felduntersuchungen Teil 1: Drucksondierungen mit elektrischen Messwertaufnehmern und Messeinrichtungen fur den Porenwasserdruck
2 Deutsche nationale Normen Norm
Ausgabe
DIN 1054
2010
DIN 1055-2
2003 2007
Status
litel Baugrund - Sicherheitsnachweise im Erd und Grundbau - Erganzende Regelungen zu DIN EN 1997-1
E
Einwirkungen auf lragwerke - leil 2: BodenkenngroBen Anwendungsregeln zu ENV 1991-1
DIN 4017 mit Beiblatt 1
2006 2006
Baugrund - Berechnung des Grundbruchwiderstands von FlachgrOndungen
DIN 4018 mit Beiblatt 1
1974 1981
Baugrund - Berechnung der Sohldruckverteilung unter Flachengrundungen
703
Anhang
Status
litel
Norm
Ausgabe
DIN 4018 Beiblatt 1
1981
Baugrund - Berechnung der Sohldruckverteilung unter FlachengrOndungen; Erlauterungen und Berechnungsbeispiele
DIN V 4019-100
1996/ 2009
Baugrund - Setzungsberechnungen -leil 100: Berechnung nach dem Konzept mit Teilsicherheitsbeiwerten
DIN 4020 mit Beiblatt 1
2003 2003
Baugrund - Geotechnische Untersuchungen fOr bautechnische Zwecke
DIN 4020
2010
DIN 4023
2006
Geotechnische Erkundung und Untersuchung - Zeichnerische Darstellung der Ergebnisse von Bohrungen und sonstigen direkten AufschlOssen
DIN 4030-1
2008
Beurteilung betonangreifender Wasser, Boden und Gase - Teil 1: Grundlagen und Grenzwerte
DIN 4030-2
2008
Beurteilung betonangreifender Wasser, Boden und Gase - Teil 2: Entnahme und Analyse von Wasser- und Bodenproben
DIN 4049-1
1994
Hydrologie - Teil 1: Grundbegriffe
E
Geotechnische Untersuchungen fOr bautechnische Zwecke - Erganzende Regelungen zu DIN EN 1997-2
- Teil 2: Begriffe der Grundwasserbeschaffenheit
DIN 4049-2 DIN 4049-3
1994
- Teil 3: Begriffen der quantitativen Hydrologie
DIN 4084 mit Beiblatt
2009
Baugrund - Gelandebruchberechnungen
DIN 4085 mit Anderung Al
2007 2010
Baugrund - Berechnung des Erddrucks
DIN 4093
1987
Baugrund - Einpressen in den Untergrund; Planung, AusfUhrung, PrOfung
DIN 4094-4
2002
Baugrund: Felduntersuchungen, Teil 4: FIOgelscherversuche
DIN 4094-5
2001
Baugrund; Feldversuche, Teil 5: Bohrlochaufweitungsversuche
DIN 4095
1990
Baugrund - Dranung zum Schutz baulicher Anlagen; Planung, Bemessung und AusfUhrung
DIN 4107-1
2011
Geotechnische Messungen leil 1: Grundlagen -
DIN 4107-2
2011
Geotechnische Messungen Teil 2: Extensometer- und Konvergenzmessungen
DIN 4107-3
2011
Geotechnische Messungen Teil 3: Inklinometer- und Deflektometermessungen
704
Anhang
Norm
Ausgabe
Status
Titel
DIN 4107-4
in Bearbtg.
Geotechnische Messungen leil 4: Messung der Spannungsanderung im Fels und an Felsbauwerken mit Druckkissen
DIN 4123
2000
Ausschachtungen, Grundungen und Unterfangungen im Bereich bestehender Gebaude
DIN 4124
2010
E
Baugruben und Graben Boschungen, Verbau, Arbeitsraumbreiten
DIN 4126
2004
E
Nachweis der Standsicherheit von Schlilzwanden
DIN 4149
2005
Bauten in deutschen Erdbebengebieten - Lastannahmen, Bemessung und AusfUhrung ublicher Hochbauten
DIN 4150-1
2001
Erschutterungen im Bauwesen lei! 1: Vorermittlung der SchwingungsgroBen
DIN 4150-2
1999
lei! 2: Einwirkung auf Menschen in Gebauden
DIN 4150-3
1999
lei! 3: Einwirkung auf bauliche Anlagen
DIN 18121 - 1
1998
Baugrund -Untersuchung von Bodenproben; Wassergehalt - leil 1: Bestimmung durch Ofentrocknung
DIN 18121-2
2001
Baugrund - Untersuchungen von Bodenproben; Wassergehalt - leil 2: Bestimmung durch Schnellverfahren
DIN 18122- 1
1997
Baugrund - Untersuchung von Bodenproben; Zustandsgrenzen (Konsistenzgrenzen) - leil 1: Bestimmung der FlieB- und Ausrollgrenze
DIN 18122-2
2000
Baugrund - Untersuchung von Bodenproben; Zustandsgrenzen (Konsistenzgrenzen) - leil 2: Bestimmung der Schrumpfgrenze
DIN 18123
2011
Baugrund - UntersuChung von Bodenproben; Bestimmung der KorngroBenverteilung
DIN 18124
2011
Baugrund - Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung der Korndichte - Kapillarpyknometer, Weithalspyknometer
DIN 18125- 1
1997
Baugrund - Untersuchung von Bodenproben Bestimmung der Dichte des Bodens - lei! 1: Laborversuche
DIN 18125-2
2011
Baugrund, Untersuchung von Bodenproben; - Bestimmung der Dichte des Bodens - leil 2: Feldversuche
DIN 18126
1996
Baugrund - Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung der Dichte nichtbindiger Boden bei lockerster und dichtester Lagerung
DIN 18127
2008
Baugrund - Untersuchung von Bodenproben; Proctorversuch
DIN 18128
2002
Baugrund - Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung des Gluhverlustes
705
Anhang
Norm
Ausgabe
Status
Titel
DIN 18129
2010
E
Baugrund - Untersuchung von Bodenproben; Kalkgehaltsbestimmung
DIN 18130-1
1998
Baugrund - Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung des Wasserdurchlassigkeitsbeiwerts lei! 1: Laborversuche
DIN 18130-2
2003
Baugrund - Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung des Wasserdurchlassigkeitsbeiwertes leil 2: Feldversuche
DIN 18132
2011
E
Baugrund - Versuche und Versuchsgerate; Bestimmung des Wasseraufnahmevermogens
DIN 18134
2010
E
Baugrund - Versuche und Versuchsgerate; Plattendruckversuch
DIN 18135
1999
E
Baugrund - Untersuchung von Bodenproben; Eindimensionaler Kompresslonsversuch
DIN 18136
2003
Baugrund - Untersuchung von Bodenproben; Einaxialer Druckversuch
DIN 18137-1
2010
Baugrund - Versuche und Versuchsgerate; Bestimmung der Scherfestigkeit; Teil 1: Begriffe und grundsatzliche Versuchsbedingungen
DIN 18137-2
2011
Teil 2: lriaxialversuch
DIN 18137-3
2002
lei! 3: Direkter Scherversuch
DIN 18195-4
2000
Bauwerksabdichtungen - leil 4: Abdichtungen gegen Bodenfeuchte (Kapillarwasser, Haftwasser) und nicht stauendes Sickerwasser an Bodenplatten und Wanden; Bemessung und AusfUhrung
DIN 18195-5
2000
Teil 5: Abdichtungen gegen nicht druckendes Wasser auf Deckenflachen und in Nassraumen; Bemessung und AusfUhrung
DIN 18195-6
2000
leil 6: Abdichtungen gegen von auBen drOckendes Wasser und aufstauendes Sickerwasser; Bemessung und AusfUhrung
DIN 18196
2006
Erd- und Grundbau - Bodenklassifikation fUr bautechnische Zwecke
DIN 18299
2010
VOB Vergabe- und Vertragsbedingungen fOr Bauleistungen - Teil C: Allgemeine lechnische Vertragsbedingungen fur Bauleistungen (ATV) - Allgemeine Regeln fur Bauarbeiten jeder Art
DIN 18300
2010
- Erdarbeiten
DIN 18301
2010
- Bohrarbeiten
DIN 18302
2010
- Arbeiten zum Ausbau von Bohrungen
706
Anhang
Titel
Norm
Ausgabe
DIN 18303
2010
- Verbauarbeiten
DIN 18304
2010
- Ramm-, RiHtel- und Pressarbeiten
DIN 18305
2010
- Wasserhaltungsarbeiten
DIN 18308
2010
- Dran- und Versickerungsarbeiten
DIN 18309
2010
- Einpressarbeiten
DIN 18311
2010
- Nassbaggerarbeiten
DIN 18312
2010
- Untertagearbeilen
DIN 18313
2010
- Schlitzwandarbeiten mit stGtzenden Fliissigkeilen
DIN 18314
2010
- Spritzbetonarbeiten
DIN 18319
2010
- Rohrvortriebsarbeilen
DIN 18537
2010
E
Anwendungsdokumenl zu DIN EN 1537: 200 1; Verpressanker
DIN 18538
2010
E
Anwendungsdokument zu DIN EN 12699:2001-05, AusfUhrung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialtiefbau) - Verdrangungspfahle
DIN 18539
2011
E
Anwendungsdokument zu DIN EN 14199:2005-05, AusfUhrung von besonderen geotechnischen Arbeiten (Spezialliefbau) - Pfahle mit kleinen Durchmessern (Mikropfahle)
DIN 19700-10
2004
Stauanlagen - Teil 10: Gemeinsame Festlegung
DIN 19700-11
2004
Teil 11: Talsperren
DIN 19700-12
2004
Teil 12: Hochwasserriickhaltebecken
DIN 19700- 13
2004
Teil 13: Staustufen
DIN 19700-14
2004
Teil 14: Pumpspeicherbecken
DIN 19700-15
2004
Teil 15: Sedimentalionsbecken
DIN 50929- 1
1985
Korrosion der Metalie - Korrosionswahrscheinlichkeit melaliischer Werkstoffe bei auBerer Korrosionsbelastung Teil 1: Aligemeines
DIN 50929-3
1985
Korrosion der Metalie - Korrosionswahrscheinlichkeil metallischer Werksloffe bei auBerer Korrosionsbelastung Tei! 2: Rohrleitungen und Bauteile im Boden
DIN 52098
2005
Priifverfahren fUr Gesteinsk6rnungen - Bestimmung der Korngr6Benverteilung durch Nasssiebung /Achtung: Vorgesehener Ersatz durch DIN EN 933- 1 und -2
DIN 52099
2005
Priifung von Gesteinskornungen; Priifung der Reinheil
Status
707
Anhang
Status
Titel
Norm
Ausgabe
DIN 52100-2
2007
PrGfung von Naturstein und Gesteinskornungen Aligemeines und Obersicht
DIN 52101
2005
Prufverfahren fUr Gesteinskornungen - Probennahme / Achtung: in Verbindung mit DIN EN 932-1 und -2
DIN 52102
2006
PrGfverfahren fUr Gesteinskornungen - Bestimmung der Trockenrohdichte mit dem Messzylinderverfahren und Berechnung des Dichtigkeitsgrades
DIN 52103
1988
PrGfung von Naturstein und Gesteinskornungen - Bestimmung von Wasseraufnahme und Siittigungswert / Achtung: Vorgesehener Ersatz durch DIN EN 1097-6
DIN 52104-3
1992
DIN 52 106
2004
V
PrGfung von Naturstein und Gesteinskornungen - FrostTau-Wechselversuch; PrGfung von Gesteinskornungen mit Taumitteln PrGfung von Gesteinskornungen - Untersuchungsverfahren zur Beurteilung der Verwitterungsbestandigkeit
3 Osterreichische nationale Normen
Norm
Ausgabe
ONORM B 1997-1-1
2010
Status
Titel Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik - Teil 1: Allgemeine Regeln - Nationale Festiegungen zu ONORM EN 1997-1 und nationale Erganzungen
ONORM B 1997-1-2
Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik - FlachengrGndungen
ONORM B 1997-1-3
Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik - Pfahlgrundungen
ONORM B 1997-1-4
Eurocode 7: Entwurf, Berechnung und Bemessung in der Geotechnik - Erddruckberechnung und StGtzbauwerke
Z
Untertagebauarbeiten - Richtlinien und Vertragsbestimmungen; Werkvertragsnorm
ONORM B 2203
1994
ONORM B 2203-1
2001
Untertagebauarbeiten - Richtiinien und Vertragsbestimmungen; Zyklischer Vortrieb
ONORM B 2203 - 2
2003
Untertagebauarbeiten - Richtiinien und Vertragsbestimmungen; Kontinuierlicher Vortrieb
708
Anhang
Norm
Ausgabe
ONORM B 4400-1
2010
Geotechnik Teil 1: Benennung, Beschreibung und Klassifizierung von Boden - Regeln zur Umsetzung der ONORMEN EN ISO 14688-1 und -2 sowie grundlegende Symbole und Einheiten
ONORM B 4400-2
2010
Geotechnik Teil 2: Benennungen und Definitionen, Beschreibung und Klassifizierung von Fels Regeln zur Umsetzung der ONORM EN ISO 14689-1
ONORM B 4401 - 1
1980
Z
Erd- und Grundbau - Erkundung durch Schurfe und Bohrungen sowie Entnahme von Proben; Aufschlusse im Lockergestein (ersetzt durch EN ISO 22475-1)
ONORM B 4401-2
1983
Z
Erd- und Grundbau - Erkundung durch Schurfe und Bohrungen sowie Entnahme von Proben; Aufschlusse im Festgestein (ersetzt durch EN ISO 22475-1)
ONORM B 4401 -3
1985
Z
Erd- und Grundbau - Erkundung durch Schurfe und Bohrungen sowie Entnahme von Proben; Protokollierung (ersetzt durch EN ISO 22475-1)
ONORM B 4401-4
1990
Z
Erd- und Grundbau - Erkundung durch Schurfe und Bohrungen sowie Entnahme von Proben; zeichnerische Darstellung der Ergebnisse (ersetzt durch EN ISO 22475- 1)
ONORM B 4402
2003
ONORM B 4405
1977
ONORM B4410
1974
Erd- und Grundbau - Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung des Wassergehaltes durch Ofentrocknung
ONORM B 4411
2009
Geotechnik - Untersuchung von Bodenproben; Zustandsgrenzen (Konsistenzgrenzen), Bestimmung der FlieB- und Ausrollgrenze
ONORM B 4412
1974
Erd- und Grundbau - Untersuchung von Bodenproben; KorngroBenverteilung
ONORM B 4413
1975
Erd- und Grundbau - Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung der Korndichte mit dem Kapillarpyknometer
ONORM B 4414-1
1976
Erd- und Grundbau - Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung der Dichte des Bodens, Labormethoden
ONORM B 4414-2
1979
Erd- und Grundbau - Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung der Dichte des Bodens, Feldverfahren
ONORM B 4415
2010
Geotechnik - Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung der einaxialen Druckfestigkeit
ONORM B 4416
1978
Erd- und Grundbau - Untersuchung von Bodenproben; Grundsatze fUr die DurchfUhrung und Auswertung von Scherversuchen
Status
Titel
Erd- und Grundbau - Geotechmsche Untersuchungen fur bautechnische Zwecke Z
Erd- und Grundbau - Baugrunderkundung mit Kleingeraten; Sondierbohrgerat mit genuteter Sondiernadel (ersetzt durch B 4419)
709
Anhang
litel
Norm ONORM 8 4417
1979
Erd- und Grundbau - Untersuchung von 8Oden; Lastplattenversuch
ONORM 8 4418
2007
Geotechnik - DurchfUhrung von Proctorversuchen im Erdbau
ONORM 8 4419
2006
Geotechnik - 8esondere Rammsondierverfahren
ONORM 8 4419- 1
1985
ONORM 8 4420
1989
Erd- und Grundbau - Untersuchung von 8odenproben; Grundsatze fUr die DurchfUhrung und Auswertung von Kompressionsversuchen
ONORM 8 4422-1
1992
Erd- und Grundbau - Untersuchung von Bodenproben; Bestimmung der Wasserdurchlassigkeit. Laborprufungen
ONORM B 4422-2
2002
Erd- und Grundbau - Untersuchung von Boden; Bestimmung der Wasserdurchlassigkeit. Feldmethoden fur oberflachennahe Schichten
Z
Erd- und Grundbau - Untergrunderkundung durch Sondierungen; Rammsondierungen
Erd- und Grundbau - Zulassige Belastungen des Baugrundes; Flachengrundungen
ONORM B 4430-1
ONORM B 4430-2
1978
Erd- und Grundbau - Zulassige Belastungen des Baugrundes; Pfahlgriindungen
ONORM B 4431 - 1
1983
Erd- und Grundbau - Zulassige Belastungen des Baugrundes; Setzungsberechnungen fUr Flachengriindungen
ONORM B 4431-2
1986
Erd- und Grundbau - Zulassige Belastungen des Baugrundes; Setzungsbeobachtungen
ONORM B4432
1980
Erd- und Grundbau - Zulassige Belastungen des Baugrundes; Grundbruchberechnungen
ONORM B 4433
1987
Erd- und Grundbau - Boschungsbruchberechnung
ONORM B 4434
1993
Erd- und Grundbau - Erddruckberechnung
ONORM B 4435- 1
2003
Erd- und Grundbau - Flachengriindungen. Berechnung der Tragfahigkeit bei einfachen Verhaltnissen
ONORM B 4435-2
1999
Erd- und Grundbau - Flachengriindungen; EUROCODEnahe Berechnung der lragfahigkeit
ONORM 84440
2001
Erd- und Grundbau - GroBbohrpfahle; Tragfahigkeit
ONORM B 4450
1974
ONORM B 4452
1998
Erd- und Grundbau - Dichtwande im Untergrund
ONORM B 4454
2001
Erd- und Grundbau - Injektionen in Fest- und Lockergestein; Priifungen
ONORM B 4455
1992
Z
Z
Erd- und Grundbau - Schlitzwande
Erd- und Grundbau - Vorgespannte Anker fiir Lockergestein und Festgestein
710
Anhang
Status
Norm ONORM B 4490
1981
ONORM B 3305
1972
Titel Erd- und Grundbau - Begriffe, Symbole und Einheiten
z
Betonangreifende Wasser, Boden und Gase; Beurteilung und chemische Analyse
4 Schweizer nationale Normen Norm
Ausgabe
Status
Titel (deutschsprachige Ausgabe)
SIA 118/198
2007
E
Allgemeine Bedingungen fUr Untertagbau
SIA 118/267
2004
Allgemeine Bedingungen fiir geotechnische Arbeiten
SIA 197
2004
Projektierung Tunnel; Grundlagen
SIA 197/1
2004
Projektierung Tunnel; Bahntunnel
SIA 197/2
2004
Projektierung Tunnel; StraBentunnel
SIA 198
2004
Untertagbau; AusfUhrung
SIA 199
1998
Erfassen des Gebirges 1m Untertagbau
SIA 261
2003
Einwirkungen
SIA 267
2003
Geotechnik
SIA 267/1
2003
Geotechnik, erganzende Festlegungen
SN 640 034a
1997
Darstellung der Projekte; Geotechnische Signaturen mit Beilage: Darstellungsbeispiele fUr Geotechnische Signaturen
SN640311a
1969
Geotechnische Untersuchungen zum StraBenobjekt
SN 640 317b
1997
Dimensionierung; Untergrund und Unterbau
SN 640 585
1971
Verdichtung; Anforderungen Erdarbeiten
SN 670 005a
1997
Identifikation der Lockergesteine; Feldmethoden
SN 670 008a
1997
Identifikation der Lockergesteine; Labormethode mit Klassifikation nach uses
SN 670 009
1995
Geologische Terminologie der Lockergesteine
SN 670 010b
1998
Bodenkennziffern
SN 670 125a
1983
Filtermaterialien; Qualitatsvorschriften Boden, Versuche; Notwendige Parameter fUr die Darstellung der Resultate geotechnischer Versuche
SN 670 300 SN 670 312b
1998
Versuche an Boden; VSS-Gerat fUr den Plattendruckversuch Ev und Me-
711
Anhang
Norm
Ausgabe
Titel (deutschsprachige Ausgabe)
SN 670 316a
1994
Versuche an Boden; CBR- Penetrometer, Feldversuch,
SN 670 317b
1998
Versuche an Boden; Plattendruckversuch Ev und M(
SN 670 320b
1994
Versuche an BOden; CBR-Versuch im Laboratorium
SN 670 335a
1989
Versuche an BOden; Dichte des Bodens
SN 670 345a
1989
Versuche an Boden; Konsistenzgrenzen
SN 670350
1992
Versuche an Boden; Taschenpenetrometer, Taschen- und LaborflGgelsonde
SN 670 352
1992
Versuche an BOden; Einfache Druckfestigkeit
SN 670417
1996
Versuche an BOden; Rammsondierung .Von Moos",
SN 670 810c
1985
Mineralische Baustoffe und Lockergesteine; Siebanalyse.
SN 670 816a
1989
Mineralische Baustoffe und Lockergesteine; Schlammanalyse nach der Araometermethode.
5 Richtlinien, Merkblatter und Empfehlungen von Fachverbanden und -gesellschaften 5.1 Empfehlungen des Arbeitskreises "Versuchstechnik Fels" der DGGT (1979-2009) Titel
veroffentlicht in
Einaxiale Druckversuche an Gesteinsproben
Bautechnik
2004, Nr. 10
2
Dreiaxiale Druckversuche an Gesteinsproben
Bautechnik
1979, Nr. 7, in Uberarbeitung
3
Dreiaxiale Druckversuche an geklGfteten GroBbohrkernen im Labor
Bautechnik
1979, Nr. 7
4
Scherversuch in situ
Bautechnik
1980, Nr. 10
5
Punktlastversuche an Gesteinsproben
Bautechnik
2010, Nr. 6
6
Doppel-Lastplattenversuch
Bautechnik
1985, Nr. 3
7
Schlitzentlastungs- und Druckkissenversuche
Bautechnik
1984, Nr. 3
8
Dilatometerversuche in Felsbohrungen
Bautechnik
1984, Nr. 4
9
Wasserdruckversuch im Fels
Bautechnik
1984, Nr. 4
10
Indirekter Zugversuch an Gesteinsproben - Spaltzugversuch
Bautechnik
2009, Nr. 9, in Oberarbeitung
11
Quellversuche an Gesteinsproben
Bautechnik
1986, Nr. 3
712
Anhang
Titel
veroffentlicht in
12
Mehrstufentechnik bei dreiaxialen Druckversuchen und direkten Scherversuchen
Bautechnik
1987, Nr. 11
13
Laborscherversuch an Felstrennflachen
Bautechnik
1988, Nr. 9
14
Oberbohr-Entlastungsversuch zur Bestimmung von Gebirgsspannungen
Bautechnik
1990, Nr. 9 in Oberarbeitung
16
Ein- und dreiaxiale Kriechversuche an Gesteinsproben
Bautechnik
1994, Nr. 8
15
Verschiebungsmessungen llings der Bohrlochachse, Extensometermessungen
Bautechnik
1991, Nr. 2
17
Einaxiale Relaxationsversuche an Gesteinsproben
Bautechnik
1994, Nr. 8
18
Konvergenzmessungen und geodatische Lagelinderungsmessungen
Bautechnik
1996, Nr. 8
19
Spannungsanderungsmessungen mittels Druckkissen
Bautechnik
erscheint demnachst
20
Verwitterungsbestlindigkeit von Gesteinen - Siebtrommelversuch
Bautechnik
2002, Nr. 2
21
Verschiebungsmessungen quer zur Bohrlochachse Inklino meter- und Deflektometermessungen
Bautechnik
2002, Nr. 4
5.2 Empfehlungen der Deutschen Gesellschaft fur Geotechnik - DGGT EVB ETB GDA KPP EAG-GTD EAK EAU
EAG-EDT EAB EAP
EBGEO
Empfehlungen "Verformungen des Baugrundes bei baulichen Anlagen" (1993) Empfehlungen des Arbeitskreises "Tunnelbau" (1995) Empfehlungen Geotechnik der Deponien und Altlasten (4. Auf}. 2003) Richtlinie fur den Entwurf, die Bemessung und den Bau von Kombinierten Pfahl-Plattengrundungen (2000) Empfehlungen zur Anwendung geosynthetischer Tondichtungsbahnen (2002) Empfehlungen fur die Ausfuhrung von Kustenschutzbauten Empfehlungen des Arbeitsausschusses "Ufereinfassungen, Hafen und Wasserstra6en" (10. Auf}. 2004/2009) Empfehlung "Geotechnisch-markscheiderische Untersuchung und Bewertung von Altbergbau" (2004) Empfehlung "Wechselwirkungen Baugrund/Bauwerk bei Flachgrundungen" (2004) Empfehlungen zu Dichtungssystemen im Tunnelbau Empfehlungen des Arbeitskreises "Baugruben" (4. korr. Auf}. 2007, 5. Auf}. in Arbeit) Empfehlungen des Arbeitkreises "Pfahle", EA-pfahle (2007) Empfehlung "Geotechnisch-markscheiderische Untersuchung und Bewertungvon Tagebaurestlochern, Halden und Kippen des Altbergbaus" (2009) Empfehlungen fur den Entwurf und die Berechnung von Erdkorpern mit Bewehrungen aus Geokunststoffen (2010) Empfehlung "Sicherung und Verwahrung im Altbergbau" (2010)
Anhang
713
5.3 Empfehlungen Deutscher Ausschuss fur unterirdisches Bauen C . V. (DAUB-Empfehlungen) _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ __ Empfehlung fUr Kriterien zur Auswahl und Bewertung von Tunnelvortriebsmaschinen (1997/2010) Empfehlung fur Konstruktion und Betrieb von Schildmaschinen (2000) Empfehlung fur statische Berechnungen von Schildvortriebsmaschinen (2005) Empfehlung zu Ausfuhrung und Einsatz unbewehrter Tunnelinnenschalen (2007) Empfehlungen zu SchutzmaBnahmen bei Tunnelvortrieben in asbestbelastetem Gestein (2007)
5.4 Merkblatter, Richtlinien und technische Vertrags- und Lieferbedingungen der Forschungsgesellschaft fur das StraBen- und Verkehrswesen (FGSV) betr. Erd- und Grundbau sowie Mineralstoffe im StraBenbau (auszugsweise) Zusatzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien fur Erdarbeiten im StraBenbau ZTVE-StB 09 Zusatzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien fur Ingenieurbauten (ZTV -lNG, 2007) Teil1: Allgemeines, Teil2: Grundbau, Teil5: Tunnelbau Zusatzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien fur Tragschichten im StraBenbau ZTVT-StB 95/Fassung 02 Zusatzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien fur den Bau von Entwasserungseinrichtungen im StraBenbau (ZTV Ew-StB 91) Zusatzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien fur Landschaftsbauarbeiten im StraBenbau (ZTV La-StB 99) Zusatzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien fur Aufgrabungen an Verkehrsflachen (ZTVA-StB 97/ Fassung 06) Zusatzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien fur Sicherungsarbeiten an Arbeitsstellen an StraBen (ZTV SA 97) Zusatzliche Technische Vertragsbedingungen und Richtlinien fur den Bau von Schichten ohne Bindemittel im StraBenbau (ZTV SoB-StB 04/Fassung 07) Merkblatt fur die Untergrundverbesserung durch Tiefenruttler (1979) Merkblatt uber Felsgruppenbeschreibung fUr bautechnische Zwecke im StraBenbau (1980) Merkblatt fUr die gebirgsschonende AusfUhrung von Spreng- und Abtragsarbeiten an Felsboschungen (1984) Merkblatt fUr den Entwurf und die Herstellung von Raumgitterwanden und -wallen (1985) Merkblatt uber StraBenbau auf wenig tragHihigem Untergrund (1988) Merkblatt uber Einsenkungsmessungen mit dem Benkelmann-Balken (1991) Merkblatt fUr hydraulisch gebundene Tragschichten aus sandreichen Mineralstoffgemischen (1991) Merkblatt fUr die Verhutung von Frostschaden an StraBen (1991) Merkblatt fUr die Felsbeschreibung fur den StraBenbau (1992) Merkblatt uber flachendeckende dynamische Verfahren zur Prufung der Verdichtung im Erdbau (1993) Merkblatt uber den Einfluss der HinterfUllung auf Bauwerke (1994) Merkblatt fur die Verwendung von EPS-Hartschaumstoffen beim Bau von StraBendammen (1995) Merkblatt uber die Wiederverwertung von mineralischen Baustoffen als Recycling-Baustoffe im StraBenbau (2002)
714
Anhang
Merkblatt fiir die Kontrolle und Wartung von Sickeranlagen (2002) Merkblatt fiir die Herstellung, Bemessung und Qualitatssicherung von Stabilisierungssaulen zur Untergrundverbesserung - Teil 1: CSV Verfahren (Combined Soil Stabilization with Vertical Columns) (2002) Merkblatt fiir die Verdichtung des Untergrundes und Unterbaus im StraBenbau (2003) Merkblatt iiber Stiitzkonstruktionen aus Betonelementen, Blockschichtungen und Gabionen (2003) Merkblatt iiber geotechnische Untersuchungen und Berechnungen im StraBenbau (M GUB 04) 2004 Merkblatt fUr Bodenverfestigungen und Bodenverbesserungen mit Bindemitteln (2004) Merkblatt iiber die Verwendung von Blahton als Leichtbaustoff im Unterbau und Untergrund von StraBen (2005) Merkblatt iiber die Anwendung von Geokunststoffen im Erdbau des StraBenbaus (M Geok E StB - 2005) Merkblatt iiber Bauweisen fiir technische SicherungsmaBnahmen beim Einsatz von Boden und Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen im Erdbau (M TS E) Merkblatt iiber die Behandlung von Boden und Baustoffen mit Bindemitteln zur Reduzierung der Eluierbarkeit umweltrelevanter Inhaltsstoffe (2009) Merkblatt iiber Bauwesen fUr technische SicherungsmaBnahmen beim Einsatz von Boden und Baustoffen mit umweltrelevanten Inhaltsstoffen im Erdbau (MTSE) Richtlinie fiir die Anlage von Autobahnen (RAA) Richtlinien fiir die Anlage von StraBen (RAS) Teil: Querschnitt (RAS-Q - 1996) - Teil: Entwasserung (RAS-Ew - 2005) - Teil: Landschaftsgestaltung (RAS-LG) - Teil: Landschaftspflege (RAS-LP - 1996) Richtlinien fiir die Standardisierung des Oberbaus von Verkehrflachen (RStO - 2001) Richtlinie fiir die Sicherung von Arbeitsstellen an StraBen (RSA - 1995/2001) Richtlinie fiir bautechnische MaBnahmen an StraBen in Wasserschutzgebieten (RiStWag - 2001) Richtlinie fUr die umweltvertragliche Anwendung von industriellen Nebenprodukten und Recycling-Baustoffen im StraBenbau (RuA-StB - 2001) Richtlinien fUr die Giiteiiberwachungvon Mineralstoffen im StraBenbau (RG Min-StB - 1993/2000) Technische Lieferbedingungen fiir Gesteinskornungen im StraBenbau (TL Gestein-StB - 2004) Technische Lieferbedingungen fiir Mineralstoffe im StraBenbau (TL Min-StB - 2000) Technische Lieferbedingungen fUr Boden und Baustoffe im Erdbau des StraBenbaus (TL BuB E-StB - 2009) Technische Lieferbedingungen und Technische Priifvorschriften fiir Kunststoffdichtungsbahnen und zugehOrige ProfIlbander (TLlTP KDB - 2007) Technische Lieferbedingungen und Technische Priifvorschriften fiir Schutz- und Dranschichten aus Geokunststoffen (TLlTP SD - 2007) Technische Priifbedingungen fUr Mineralstoffe im StraBenbau (TP Min-StB - 1982/1990) Technische Priifvorschriften fiir Boden und Fels im StraBenbau (TP BF-StB - 2009) Technische Priifvorschriften fiir Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln (TP HGT-StB 1994) Technische Priifvorschriften fUr Tragschichten mit hydraulischen Bindemitteln und Fahrbahndecken aus Beton (TP Beton-StB - 2010) Eignungspriifungen bei Bodenverbesserung und Bodenverfestigung mit Feinkalk und Kalkhydrat (TP BF-StB - 1991) Eignungspriifungen bei Bodenverfestigungen mit hydraulischen Bindemitteln (TP BF-StB - 2005) Eignungspriifungen fiir Bodenverbesserung (TP BF-StB - 2010)
715
Anhang
Entwurfs- und Berechnungsgrundlagen fur Bohrpfahlgrundungen und Stahlpfosten von Uirmschutzwanden an StraBen (1997) Hinweise fUr MaBnahmen an bestehenden StraBen in Wasserschutzgebieten (BeStWag - 1993) Hinweise fur die Ausschreibung von Geotextilen und Geogittern bei Anwendungen im Erdbau des StraBenbaus (2001) Hinweise zur Anwendung geotechnischer und geophysikalischer Messverfahren im StraBenbau (2007) Umsetzung der Europaischen Normen zu Gesteinskornungen und Gesteinskornungsgemischen in FGSV-Regelwerken (ARS-BMVBW - 2005) Bauverfahren beim StraBenbau auf wenig tragfahigem Untergrund - Bodenersatzverfahren (2005)
5.5 Merkblatter, Regeln des DWA - Deutsche Vereinigung fU r Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall (fruher ATV Abwassertechnische Vereinigung und DVWK Deutscher Verband fur Wasserwirtschaft und Kulturbau) Nummer
Jahr
Titel
138
2005
Planung, Bau und Betrieb von Anlagen zur Versickerung von Niederschlagswasser
188
1992
Gestaltung und Nutzung von Baggerseen
1990
Hochwasserriickhaltebecken
209
1989
Wahl des Bemessungshochwassers
210
1986
Flussdeiche
215
1990
Dichtungselemente im Wasserbau
221
1992
Anwendung von Geotextilien im Wasserbau
222
1991
Mess- und Kontrolleinrichtungen zur UberprOfung der Standsicherheit von Staumauern und Staudammen
223
1992
Asphaltdichtungen fUr Talsperren und Speicherbecken
225
1992
Anwendung von Kunststoffdichtungsbahnen im Wasserbau und fUr den Gewasserschutz
231
1995
Sicherheitsbericht fUr Talsperren - Leitfaden
237
1996
Deponieabdichtungen in Asphaltbauweise
242
1996
Berechnungsverfahren fUr Gewichtsmauem - Wechselwirkung zwischen Bauwerk und Untergrund
245
1997
Tiefenorientierte Probenahme aus Grundwassermessstellen
246
1997
Freibordbemessung an Stauanlagen
202
E
716
Anhang
Nummer
Titel
ATV-DVWK-M 502
2002
Berechnungsverfahren fur Staudamme - Wechselwirkung zwischen Bauwerk und Untergrund
ATV-DVWK-M 503
2001
Grundlagen zur Oberpriifung und ErtOchtigung von Sedimentationsbecken
2004
Injektionen mit hydraulischen Bindemitteln in Wasserbauwerken aus Massenbeton
DWA-M 506
E
Einige dieser Merkblatter bzw. Teile davon sollen kunftig in die M-Reihe eines gemeinsamen DWA, DGGT und DTK-Ausschusses aufgenommen werden: M 507 Flussdeiche (201012011) M 512 Dichtungselemente (in Bearbeitung) M 514 Bauwerksuberwachung an Talsperren (E 2010) Kleine Stauanlagen (in Bearbeitung) M 522
5.6 Richtlinien und Merkblatter des DVGW L Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches W101 W 102 W107 W109 W110 WIll
W 112 W 113 W115 W116 W118 W 120 W 121 W 122 W 123 W124 W 127 W 135
Richtlinien fur Trinkwasserschutzgebiete; 1. Teil: Schutzgebiete fUr Grundwasser (2006) Richtlinien fur Trinkwasserschutzgebiete; II. Teil: Schutzgebiete fur Talsperren (2002) Autbau und Anwendung numerischer Grundwassermodelle in Wassergewinnungsgebieten (2004) Planung, Durchfuhrung und Auswertung von Markierungsversuchen bei der Wassergewinnung (Entwurf2002) Geophysikalische Untersuchungen in Bohrlochern und Brunnen zur ErschlieBung von Grundwasser - Zusammenstellung von Methoden (2005) Planung, Durchfuhrung und Auswertung von Pumpversuchen bei der WassererschlieBung (1997) Entnahme von Wasserproben bei der ErschlieBung, Gewinnung und Oberwachung von Grundwasser (2001) Bestimmung des Schuttkorndurchmessers und hydrogeologischer Parameter aus der KorngroBenverteilung fUr den Bau von Brunnen (2001) Bohrungen zur Erkundung, Gewinnung und Beobachtung von Grundwasser (2008) Verwendung von Spulungszusatzen in Bohrspulungen bei Bohrarbeiten im Grundwasser (1998) Bemessung von Vertikalfilterbrunnen (2005) Qualifikationsanforderungen fur die Bereiche Bohrtechnik, Brunnenbau und Brunnenregenerierung (2006) Bau und Ausbau von Grundwassermessstellen (2003) Abschlussbauwerke fUr Brunnen der Wassergewinnung (1995) Bau und Ausbau von Vertikalfilterbrunnen (2001) Kontrollen und Abnahmen beim Bau von Vertikalfilterbrunnen (1998) Quellwassergewinnungsanlagen - Planung, Bau, Betrieb, Sanierung und Ruckbau (Entwurf 2004) Sanierung und Ruckbau von Bohrungen, Grundwassermessstellen und Brunnen (1998)
Anhang
717
5.7 Richtlinien der OGG Osterreichische Gesellschaft fur Geomechanik OGG-Richtlinie fur die geomechanische Planung von Untertagebauarbeiten mit zyklischen Vortrieb (2001) OGG-Richtlinie fur die geomechanische Planung von Untertagebauarbeiten mit kontinuierlichen Vortrieb (2003/08) OGG-Richtlinie Kostenermittlung fur Projekte des Infrastruktur unter Berucksichtigung relevanter Projektrisiken (2005)
6 Verzeichnis der verwendeten Abkurzungen von Fachverbanden (z. T. mit Regelwerken oder Merkblattern) ATA ASTM ATV BAM BAW BGR BUWAL CBTR CEN D-A-CH DAUB DBV DEBRIV DEV DGG DGGT DIBt DMV DNV DTK DVGW DVWK DWA EAB EAU EBA EFNARC FGSV FGU FIGS
Austrian Tunnel Association, Wien American Society for Testing and Materials Abwassertechnische Vereinigung eoY., St. Augustin (Arbeitsblatter) Bundesanstalt fur Materialforschung und -prufung Bundesanstalt fur Wasserbau, Karlsruhe (Merkblatter) Bundesanstalt fur Geowissenschaften und Rohstoffe, Hannover Bundesamt fur Umwelt, Wald und Landschaft, Bern (CH) Centrum flir Deutsches und Internationales Baugrund- und Tiefbaurecht eoY., Schrobenhausen Europaisches Komitee fur Normung D-A-CH-Staaten Deutschland, Osterreich und Schweiz Deutscher Ausschuss fUr unterirdisches Bauen, Kaln (Empfehlungen) Deutscher Beton- und Bautechnik-Verein eoY. Deutscher Braunkohlen-Industrie-Verein eo Vo, Kaln Deutsche Einheitsverfahren zur Wasser-, Abwasser- und Schlammuntersuchung (DEV-Normen) Deutsche Gesellschaft fur Geowissenschaften, Hannover Deutsche Gesellschaft fUr Geotechnik, Essen (geotechnik) Deutsches Institut fur Bautechnik, Berlin Deutscher Markscheider-Verein eo Y. Deutscher Naturstein-Verband Deutsches Talsperren Komitee Deutscher Verein des Gas- und Wasserfaches eoY., Bonn (Arbeits- und Merkblatter) Deutscher Verband fur Wasserwirtschaft und Kulturbau eoY., Bonn (Regeln bzwo Merkblatter zur Wasserwirtschaft) Deutsche Vereinigung fur Wasserwirtschaft, Abwasser und AbfaH, Hennef (ATVIDVWK vereint) Empfehlungen des Arbeitskreises "Baugruben" der DGGT Empfehlungen des Arbeitskreises "Ufereinfassungen" der DGGT Eisenbahn-Bundesamt, Bonn European Federation for Spezialist Construction Chemicals Forschungsgesellschaft fUr StraBen- und Verkehrswesen eoY., Kaln (Merkblatter, Richtlinien) Fachgruppe Untertagebau des Schweizerischen Ingenieur- und Architektenvereins Federation ofInternational Geo-Ingineering Societies
718
FVS GFZ GtV IAEG IFB ITIG ISO ISRM ISSMGE ITA !TVA IZW LAB LABO LAGA LAWA NAGRA OGG OlAV ON OVBB SI SIA SNV STUVA SVG TGL TRGS UBA VDI VOB VOBU
Anhang Forschungsgesellschaft fUr StraBen und Verkehr, Wien (Richtlinien) GeoForschungszentrum, Potsdam Geothermische Vereinigung, Geeste International Association of Engeneering Geology and the Environment Institut fiir Bauforschung, Hannover (Berichte) International Tunnel Insurance Group International Organization for Standardization International Society for Rock Mechanics and Mining Scienses International Society for Soil Mechanics and Geotechnical Ingeneering (ISSMGE-News) International Tunneling Association Ingenieurtechnischer Verband Altlasten, e.Y., Berlin Informationszentrum Warmepumpen und Kaltetechnik, Hannover Uinderausschuss Bergbau Uinderarbeitsgemeinschaft Boden, Bonn Landerarbeitsgemeinschaft Abfall, Bonn (Merkblatter, Richtlinien) Landerarbeitsgemeinschaft Wasser, Stuttgart (Empfehlungen) Nationale Genossenschaft fiir die Lagerung, radioaktiver Abfalle, CH -Baden (Nagra -informiert) Osterreichische Gesellschaft fiir Geomechanik, Salzburg (Felsbau, Richtlinien) Osterreichischer Ingenieur- und Architekten-Verein, Wien Osterreichisches Normungsinstitut, Wien Osterreichische Vereinigung fiir Beton und Bautechnik, Wien Systeme International d'Unites, Paris Schweizer Ingenieur- und Architekten Verein, Ziirich Schweizer Normen-Vereinigung, Winterthur Studiengesellschaft fiir unterirdische Verkehrsanlagen e.Y., Koln Schweizerischer Verband fiir Geokunststoffe OhI. Produktkatalog) Technische Giite- und Lieferbestimmungen des Amtes fUr Standardisierung, Messwesen und Warenpriifung, Berlin (DDR-Normen, bis 1990) Technische Regeln fiir Gefahrenstoffe Umweltbundesamt, Berlin Verein Deutscher Ingenieure, Berlin (Richtlinien) Verdingungsordnung fiir Bauleistungen, Teile A,B und C Vereinigung Osterreichischer Bohr-, Brunnenbau- und Spezialtietbauunternehmen, Wien
Index d
Verwendete Abkiirzungen flir erHiuternde Hinweise:
Bg Ew R T
Bergbau Erdwarme Rutschung Tunnel
E Gw Tsp Geok
A-Linie 125 Abbau(verfahren) (Bg) 454,459 Abbruch (R) 384 Abdampfruckstand 182 Abdichtungsinjektion 248, 480, 482,524 Abdichtungskriterium (Tsp) 584 Abdichtungstrager (T) 566 Abfallart 423, 446f Abfallbegriff 422 Abfallbeseitigungsgesetz 42lf Abfallschlussel 447f Abfallverzeichnis-Verordnung 447 Abflussspende 277 Abminderung des Lagerstattendrucks 234 Abnahmeprufung (Anker) 299f Abrasivitat - von Lockergestein 498 - von Festgestein 108, 111, 269, 496,552,647 Abrasivitatsbeiwert nach Schimazek 497 Abrisswinkel (R) 216 Abschatzung der Wassermengen (T) 478 Abschlagslange (T) 501, 565 AbsenkmaB (Gw) 233,304 Absenktiefe (Gw) 87,309,311 Absenktrichter (Gw) 312 Absenkung der Grundwasseroberflache 230f Absonderungskluft 119 Absperrbauwerk (Tsp) 581,593 Abstandsgeschwindigkeit (Gw) 40, 81, 99f, 432, 481, 588
Erdbau Grundwasser Talsperre Geokunststoffe
Eb K Tm
Erdbeben Karst Tonmineralogie
Abstromseite (Gw) 314 Abtragssprengung (E) 318 Abtreppung der Aufstandsflache (E) 327 Acoustic Borehole Televiever 189 Additiver Zuschlag (Gw) 276 Adhasion(sversuch) 67, 270, 499 Adsorption (von Schadstoffen) 434f Adsorptionswasser 24f, 81, 101, 232 Advektion 431, 435 Aggressives Grundwasser 183, 278 Akustisches Bohrlochfernsehen 189 Aktivitatszahl 36 Aktivitatszone (R) 379 Akustische Impetanz 60 Alarmwert - fur Massenbewegung (R) 403 - fUr Verformungen (T) 531 Alkalihydroxid 484 Altablagerung 438 Altbergbau(folgen) 279, 453 Alterationsprozess (Tm) 437 Altersdatierung (R) 380 Alterung (Geok) 331 Altlast 292, 438 Altlastverdachtsflache 438, 444 Altschotter 15 Altstandort 292, 438 Ammonium 284 Ammonsalpetersprengstoff 319 Analysengenauigkeit 441 Anfangsdurchmesser (Erdfall) 615, 617f, 627. 630, 633
Anfangsscherfestigkeit 68, 357 Anfangssetzungen 45, 212 Anfangsstandsicherheit 68, 205, 357 Anforderung an Deponiestandort 426ff Anforderungsprofil (TVM) 558 Angriffsgrad des Wassers 285f Angstrom (A) (Tm) 19f Anheben von Gebauden 252, 577 Anhydrit 24,66, 136,235,521, 590, 611ff, 617, 694 Anhydritspiegel 66, 613 Anisotropie 7 - d. Gebirgsdurchlassigkeit 84, 98,477 - d. Quellens 64 Anker 269, 347, 569ff - anordnung(T) 572 - bemessung 300, 573 - in tiefliegenden Tunneln 573 - nachverpressung 297 - prufung 299ff Ankerbalken 347 Ankerdichte (T) 573 Ankerit 22 Ankersetztechnik (T) 569 Ankersicherung 296, 569 Ankertypen 571 Anstiegsgeschwindigkeit (Gw) 460 Anspritzverfahren (E) 348 Anstromseite (Gw) 314 Anstromwassermenge (T) 479 Anti-Abrasions-Additive (T) 552 Antwortspektrum (Eb) 144 Aquipotenziallinien (Gw) 224
720 Aquivalenter Quarzgehalt 497 Araometerverfahren 9 Arsen 149 Asbest(gefahrdung) (T) 465f, 492 Atlantikum (R) 382 Atterbergsche Konsistenzgrenze 33 Attraktivitatsabschnitt 70 Auffiillung 104, 106, 136 Auffiillversuch 91 Auflast (Tunnelausbau) 537 Auflockerungsdruck (T) 519f, 539,544 Auflockerungsfaktor 316,459 Auflockerungsglocke (T) 538f, 543 Auflockerungszone (s. Gebirgsauflockerung) Aufnahme von Injektionsgut (Tsp) 602 aufnehmbare Sohldruckspannung (s. Sohldruck) AufreiBen v. Trennflachen 93f AufreiBverhalten (Gebirge) (Tsp) 602f Aufschlussmethode 167 - direkte 156,469 - indirekte 149,167 Aufschlusstiefe 158,581 Aufschwimmen 202 Aufstau (Bergsturzsee) 385 Auftrieb (Gw) 202,369 Auftriebssicherheit 202f, 294, 304 Auftriebswegfall 231 Auftriebswirkung 202f, 393 Aufwolbung plastischer Schichten in Talsohle 390 Ausbau (T) 544 - einschalig 544 - zweischalig 544, 556 - m. Tiibbingen 544 Ausbauasphalt 447 Ausbaubogen (T) 568 Ausbaufestlegung (T) 503 Ausbauwiderstand (T) 536 Ausbisswinkel (R) 216 Ausblaser (T) 489 Ausbruchsklasse (T) - fiir konventionellen Vortrieb 500, 502f, 515 - fiir Schildmaschinen 560f - fiir Tunnelbohrmaschinen 560f Ausfallung 434, 484 ausgepragt plastischer Ton 35, 104 Aushubentlastung 208f, 227 Ausknicken (R) 343
Index Auslastungsgrad der Spritzbetonschale (T) 532 Auslaugung (K) 606 ausmittige Belastung 208 Ausquetschversuch 106 Ausrollgrenze 34f,174 Ausschlusskriterium (fiir Deponiestandort) 428 Ausweichprinzip (T) 525
B Baggersee (Boschung) 535 Bail-Test 95 Ballon-Verfahren 28 Banderton 211,231, 288,366,418 Bankdicke 124 Barrieregestein 424, 428 Basaltblocklehm 341,351,366, 407,418 Baubehelfsmittel (T) 469, 567 Baugrube - geboschte 287 - in weichem Boden 288 - wasserdichte 446 Baugrubenverbau 288ff, 446 Baugrund ~ 133,193 - ungiinstiger 136 Baugrundgutachten 4, 134 Baugrundhebung 24, 209, 234f, 278 Baugrundkarte 135 Baugrundklasse (Eb) 143f Baugrundmodell 193 Baugrundrisiko 4,463,466.514, 630 Baugrundverbesserung 244f, 475 (s. a. Bodenverbesserung) Baugrundverfestigung 248 (s. a. Bodenverbesserung) Baukalk (E) 328f Bauklasse (n. RStO) 335 Bauschutt 446f Baustahlgitter (T) 568 Baustellenvlies 246 Bauweise (T) 545 - einschalige 544 - geschlossene 545 - halboffene 545f - offene 545 - zweischalige 544 Bauwerk - schlaffes 198 - starres 198 - im Boden eingebettetes 212, 446 Bauwerkshinterfiillung 327. 337 Beckensediment 211,288,418 bedeckter Karst (s. Karst) Bedeutungskategorie (Eb) 144
Beharrungszustand 89 - instationar (transient) 89 - stationar 89 Belastung (Fundament) - ausmittig 198 - schrag 198 Belastungsfilter (E) 397 Belgische Unterfangungsbauweise (T) 547 Bemessung - Anker 300 - hydraulische 16,203 - Pfahlgriindung 257 - Sohldruckspannung 243 - Versickerungsanlagen 279 Bemessungshochwasser 276 Bemessungs(kenn)wert 197, 216,257 Bemessungssituation 144,195, 401 Bemessungswasserstand 202, 225, 275f, 477, 479 Bentonit 21, 438 Bentonit-Zement-Suspension 183,291,293,295,642 Bentonitmatte 315 Bentonitsuspension 291, 492 Beobachtungsmethode 197,467, 535 Berechnung(smodell) 194 - Boschungsbruch 221,342 - Gel1indebruch (R) 215ff, 392f - Grundbruch 204f - Grundwasserabsenkung 311f - Pfahltragfahigkeit 26lf - Setzung 208f Bergaufsicht 453 Bergbau(folgen) 452ff - oberflachennah 454, 457f - tagesnah 454, 457f - tiefer 454, 458 bergfreier Bodenschatz 648 bergmannische Anschlagwand (T) 469 bergmannischer Vortrieb (T) 493f Bergschlaggefahr (T) 52,142, 518, 553 Bergsenkungsgebiet (Bg) 428, 632 Bergsturz (R) 365, 367, 383, 385, 388,403 BergzerreiBung 384, 389f (s. a. HangzerreiBung) Berliner Verbau 289 Berme (E) 346, 356, 361 Beschaffenheit des Grundwassers 278, 281 f, 304
Index
Beseitigungsabfall 422 Besorgnisgrundsatz (WHG) 422,449 BeStWag 156 Besucherhohle (K) 606 Betonaggressivitat (Gw) 183, 258, 280, 282ff Betonplombe 347, 632 Betonpriifhammer 62,177 Betonriittelsaule 247 Betonzuschlagsmaterial 285 Betriebsmodus (TVM) 556 Bettungsmodul 38, 47, 200, 264, 537 Bettungsmodulverfahren 200, 264 Bewegungsgeschwindigkeit (R) 383 Bewegungskluft 119 Bewegungsmessung - im Bohrloch 191,402,545 - von Rutschung 378f, 402 Bewegungsphase vor/nach dem Bruch (R) 383 Bewegungsspuren 120 Bewegungsvektor (R) 378 Bewehrung konstruktive 241 - mit Geogittern 246, 333, 633 - statische 241 Beweissicherung 303 Bewilligung - bergrechtliche 648 - wasserrechtliche 303, 648 Biegesteifigkeit (Fundament) 198 Bilderfassungssystem (T) 512 Bildsamkeitszahl 35 Bimrock 106,128 Bindemittel 328, 459 - hydraulisches (Zement) (E) 328,337,360 - karbonatisches 10, III - toniges III - tonig-ferritisches III - quarzitisches (kieseliges) III Blahton 361 Block 105 Block-in-Matrix-Gestein lOS, 128 Blockgleit-Verfahren (R) 215, 220 Blockgleitung (R) 392 Blockprobe 160,494 Blocktheorie 125 Boden (Definition) 7, 483 - betonangreifender 282, 285 - bindiger (feinkorniger) 12,77, 85,104, 242f, 340
721
- filtertechnisch schwieriger 16, 18 - gemischtkorniger 12,78, 104f, 243,341 - grobkorniger 12, 85, 340 - heterogener 341 - im Sinne des Bodenschutzgesetzes 7 - nichtbindiger 76,104, 242f - mit organischen Beimengungen 231,249,434 - organischer 23,98, 104, 106, 232,282, 357,361f - organogener 23,104,106,357 - schwierig zu verdichtender (E) 13 - subrosionsanfalliger 279 - uberkonsolidierter 50 Boden-Clarke-Wert 442 Bodenart 7, 12, 105, 184f - feinkornige 12, 104, 106 - fliefiende 107 - gemischtkornige 12, 104f - grobkornige 12 104f - kohiisionslose 12 - leicht losbare (E) 107 - mittelschwer losbare (E) 107 - reine 12, 105 - rollige 104 - schwer losbare (E) 107 Bodenaushub 440,448 - belasteter, uberwachungsbedurftiger 448 - besonders uberwachungsbedurftiger 448 - nicht uberwachungsbedurftiger 448 Bodenaustausch 245f, 323, 328, 363,397 Bodenaustauschmaterial 245, 316 Bodenbeschleunigung (Eb) 144 Bodendenkmal 157, 287 Bodenerosion 309 Bodenentnahmeverfahren 562 Bodenfrost 368 Bodengase 154,158,649 - geogene 154 - radiogene 154 - stickstoffreiche 154 - thermische 154 Bodengruppe 27, 103f, 107 Boden- und Felsklasse 107 - fUr Bohrarbeiten 108 - nach DIN 18300 (E) 107,317 - fUr Nassbaggerarbeiten 109 - fUr Rohrvortriebsarbeiten 109, 562 - fur Untertagebauarbeiten IlO
Bodenklassifizierung Bodenkontamination
104f 158,175,
472
bodenkundliche Kartieranleitung 441 Bodenluft(messung) 148, 154 Bodennagel (s. Bodenvernagelung) Bodenprobe 7, 158f, 162 - betonaggressive 282 - gestorte 8, 156 - ungestorte 8, 158f Bodenverbesserung (E) 328 - mit Geokunststoffen 332f - mit hydraulischem Bindemittel (Zement) 328f - mit Kalk 329 - qualifizierte 323, 329, 335 Bodenverdrangungsverfahren 502 Bodenvereisung (T) 578 Bodenverfarbung 179,275,441 Bodenverfestigung (E) 328f, 335 - mit hydraulischem Bindemittel (Zement) 329 - mit Kalk 329 Bodenverflussigung (Eb) 145 Bodenvernagelung 292,346 Bodenzone - gesattigte 91,428,431 - ungesattigte 279, 428, 430 Bohrbarkeit 59, 459, 552, 683 - gesteinsbedingte 450, 552 - gebirgsbedingte 552, 564 Bohrgreifer 167, 271 Bohrkern-Scanner 178 Bohrkernaufnahme 176, 178, 377,629 Bohrkernfoto 176, 179 Bohrkopf (TBM) 552 Bohrkrone 163ff Bohrleistung (T) 496f Bohrtiefe (s. Aufschlusstiefe) Bohrlochinstabilitat 647 Bohrloch -Ultraschallseismik 189 Bohrlochabdichtung 183 Bohrlochabstand 158 - b. Erdwarmebohrungen 642, 646 - b. Sprengarbeiten 319,565 - v. Aufschlussen 158, 468f, 581 Bohrlochabweichung 187, 249, 649 Bohrlochaufweitungsversuch 48,50,471,494 Bohrlochdurchmesser 182, 185 Bohrlochentlastungsversuch 53
722 Bohrlochfernsehsonde 121, 149, 186,293 Bohrlochkamera 188, 628 Bohrlochpreventer 180, 469 Bohrlochscanner(aufnahme) 121,178,628 Bohrlochschlitzverfahren 53f Bohrlochsondierung 149, 186 Bohrlochversuch, hydraulischer 84, 86 Bohrlochwandausbruch 54, 56, 147 Bohrlochwasserstand 86,477 Bohrpfahl (s. a. GroBbohrpfahl) - kleinkalibriger 272f - normalkalibriger 269f Bohrpfahlwand 290, 599 Bohrspiilung 163, 167, 180 Bohrverfahren 162, 167, 564 Bohrwasserstandsdiagramm 180 Bombenabwurfgebiet 444 Biischung - von Baugruben 288 - im Erd- u. Verkehrswegebau 339ff - in Steine u. Erdenbetrieben 353 Biischungsbruch 215,339,355£ 365 Biischungshiihe 288, 339 Biischungsneigung 288, 339f, 349,353,355,361 Biischungsrigole 349 Biischungsrutschung 384 Brachfliiche 444 Braunkohlentiefbau 248, 458 Brazilian-Test 63 Brekzie, tektonische 128 Bruchbedingung von Coulomb 66 BruchflieBen 40 Bruchkiirper (R) - starrer 220 - wahrscheinlicher 393 - wenig wahrscheinlicher 393 Bruchscherfestigkeit 67, 340 Bruchstaffel (R) 343 Bruch(verhalten) 455 - duktiles (ziihes) 64,217,539, 544,647 - progressives 386, 392, 394 - spriides 64,111,647 Bruchzone(Bg) 459 Brunnen 306 - vollkommener 89,307.311 - unvollkommener 91,307, 312 Brunnenabstand 307f
Index
Brunnendiimmer 182 Brunnenergiebigkeit 311 Brunnenfilter 19 Brunnenformel 89 - n. Dupuit-Thiem 89,311 - n. Forchheimer 312 - n. Sichard 311 - n. Thiem 89 Brustkeil (T) 568 Bundesberggesetz (BBergG) 156,647 Bundesbodenschutzgesetz (BBodSchG) 421,438,492 Bundesbodenschutz- und Altlastenverordnung (BBodSchV) 421, 438 Bundes-Immissionsschutzgesetz 236, 422 Cl4-Methode 380 CAD-Versuch 70 CAl-Test 495,497f CAU-Versuch 70 Calcium-Bentonit 21 Calciumkarbonatpulver 281 Carbon Capture and Storage (CCS) 426 Casagrande-Diagramm 72 Casagrande-Knick 43 CBR-Versuch 47 Cerchar-Abrasivitiitstest (CAl) 495,497f, 552, 560 Charakteristische Offnungsweite (0 90 ) 18 charakteristischer axialer Pfahlwiderstand 257, 261 charakteristischer Herausziehwiderstand (Anker) 300 charakteristischer Kennwert (s. Kennwert) chemische Bestiindigkeit der Tonminerale 437 CID-Versuch 70f CIU-Versuch 70 Chlorid 285 Chloridkarst 619,627 Chlorit 10, 19ff CO2 -aggressives Grundwasser 258 CO 2 -Erdwiirmesonde 644 CO 2-Gehalt (Gw) (s. Kohlensiiuregehalt) CO 2-Verpressung 139,426 Compaktonit-Pellet 162,182 Corrensit 21,407,521,611,615 Crack-Vorgang 93,583 CSB-Wert (Gw) 304 Cutter-Life-Index™ (T) 498
D-A-CH Staaten 140 3D-Gebirgsmodell 135 3D-Seismik 151 Dammaufstandsfliiche 326, 595 Dammbaustoff 319,593,595 Diimmersuspension 249,251, 475,632 Dammsetzung (E) 357f, 360 DAUB-Empfehlung (T) 465,493, 550 Dauerabflussmenge (T) 479 Daueranker 296, 570 Deckelbauweise (T) 546 Deflektometer 192,402 Deformationsschlitz (T) 567 Dehnungsfuge 245 Denkmalschutzgesetz (DSchG) 157,287 Deponiegas 154,462 Deponieklasse 423 Deponiekonzept 423 Deponiesickerwasser 437 Deponiestandort 428 Deponieuntergrund 426f Deponievereinfachungsverordnung (DepVereinfV) 422 Deponieverordnung (DepV) 422 Detailaufnahme (R) 376 Detailuntersuchung (Altlast) 440 Detonationswirkung einer Sprengladung 318 Deutsche Kernbauweise (T) 547 Dezentrale Regenwasserversickerung 279 Diagenetische Verfestigung 64 Diamantbohrkrone 165 Dichte 27 - bei Wassersiittigung 28 - feuchter Boden 28 - trockener Boden 28 - unter Auftrieb 28 Dichtigkeitsklasse (T) 487 Dichtung von Baugruben 292ff Dichtungselemente (Tsp) - horizontale 598 - vertikale 598f Dichtungsschleier (Tsp) 560 Dichtsohle (Baugrube) - d. Injektion 295 - d. Unterwasserbeton 294 - d. DS-Verfahren 294 Dichtwand 292, 598 - in Schlitzwandtechnik 293 - in Schmalwandtechnik 294 - kombinierte 293 Dichtwandmasse 293
723
Index
Diele (T) 574 Diffusion 64, 433 Diffusionskoeffizient 433 digitales Gelandemodell 370, 375 Dilatation 77 Dilatometer 48, 168 Dilatometermodul 192 Dioxin .443 direkter GroBscherversuch 68, 494 Disken (T) 552, 555 Diskontinuum 194 Dispersion 432 Divergenz 527,531 DN (Durchmesser Normal) 181 Dokumentation v. Rutschungen 324 Doline 607, 609 Dolomit 22, 608f Doorstoppper 53 Doppelgrat (R) 373 Doppelkernrohr 163, 165 Doppellastplattenversuch 47 Doppelschild (TBM) 551 Dranabfluss 277 Dranelemente 277, 332 Dranrohr 277, 485 Dranung - im Erdbau 327, 349 - von Bauwerken 277f - von Tunneln 483f Drehbohrverfahren 167, 270 Dreifachkernrohr 164 Dreischichtminerale (Tm) 20, 438 Driften (R) 384, 387, 408, 415 Drilling-Rate-Index™ (T) 498 Druck-Mengen-Schreiber 253, 601 Druckfestigkeit - des Gebirges 62, 539 - dreiaxiale 38, 60 - einaxiale 38,56,61,109, ll7, 144,170,222,242,244,261f,293 - frostbestandiger Gesteine 334 - veranderlich fester Gesteine 113, ll7 - von Boden 56f - von Gestein 57, 59ff, 178, 539f druckhaftes Gebirge (T) 539f, 553f, 559, 573 Druckluft-Rammbohrgerat 167 Druckluftvortrieb (T) 489f Druckmessdose (T) 494 Druckrohranker 298 Drucksetzungslinie 43 Drucksetzungsversuch 41 Drucksondierung 144, 167ff, 261f
Druckversuch - einaxialer 56, 71 - triaxialer 60, 70f Druckverteilung im Baugrund 205 druckwasserhaltende Abdichtung 278,486 Druckzwiebel 205 Diibel (R) 346 Diiker(anlage) (Gw) 314 Diisenstrahlverfahren 283, 294 Diisparameter 253 duktiles Bruchverhalten (s. Bruchverhalten) Durchlassigkeit 80 - von Boden 97f - des Gebirges 82,180 - von Gestein 82 - von Karstgebirge 64, 99 - von Storungszonen 99,480 - von Trennflachen 82 Durchlassigkeitsbeiwert 80ff,95f, 293, 309, 431 - horizontal 98,477,523 - von Luft 489 - vertikal 98,314 Durchschallungsverfahren (s. Tomographie) Durchsickerung (Tsp) 596 Durchtrennungsgrad 125, 342 DSV-Schirm (T) 575 dynamische Einwirkung (s. Einwirkung) dynamische Intensivverdichtung 247 dynamischer Plattendruckversuch 325 EYZ-Modul 322f Earth Pressure Balanced TBM (EPB) 554 Eigenkonsolidation 359, 596 Eigenkontrolle (E) 324 Eigenschaft eines Sprengstoffs 319,564 Eigentragfahigkeit des Gebirges (T) 533 Eignungspriifung (Anker) 299,571 Ein-Drittel-Regel (E) 333 Einbau (E) 319ff - eingeschrankter offener 452 - eingeschrankter mit definierten technischen SicherungsmaBnahmen 452 - uneingeschrankter 451 Einbaufahigkeit - von Boden 320f
- von Felsgestein 321 Einbauklasse (LAGA) 449f Einbringverfahren (Spundwand) 290 Einbruchsarten (T) 564 Einbruchsschlot, fossiler (K) 621,623f Einfachkernrohr 163,165 Einflusskreise v. Boussineq 208 Einflusswert (Sohldruckspannung) 206ff Einflusswinkel 455, 526f Einkornbeton 349 Einlochmethode 602 Einlochpumpversuch 89 Einphasenverfahren (Schlitzwand) 293 Einpressrate 294 einschaliger Ausbau (T) (s. Ausbau) Einschlammen von Feinkorn 277 Einschwingverfahren 96 Einstabanker 298 Einsturzbeben (Eb) 138, 141 143 Eintrittswahrscheinlichkeit 402 Einwirkung 196,216£,257,536, 556 - auf Pfahl 256 - auf Tunnel 536 - dynamische 44, 133, 357 - horizontale 256 Einwirkungsbereich (Bg) 455 Einzelankerung 572f Einzelfundament 241 Einzelkluftmessung 121 Eisengehalt (Gw) 281,304 elastisch -plastisches Verhalten 37,40 elastisch-viskoplastisches Verhalten 37,40,195 Elastizitatsgrenze 40 Elastizitatsmodul 38, 40, 172 - dynamischer 44 elektrische Leitfahigkeit 182, 304 Elektroosmotische Entwasserung 310,398 Elementwand, verankerte 292 Eluatwerte 449 Emissionsrate 433 Emulsionssprengstoff 319 Endlagerkonzept 425 Energiekennwert (Ew) 643 Energiepfahl (Ew) 256, 643 Enhanced Geothermal System (EGS) 647 Entlastungsbruch 366, 392, 397, 417
724 Entlastungshebung 287,317,337 EntIastungsmodul 42, 44, 48, 172,287 Entlastungsverformung 221, 339,469 Entnahme-Zeit-Diagramm 89 Entspannungsbrunnen 597 Entspannungseffekt (Erdaushub) 221,278,337 EntspannungsmaBnahme (Tsp) 596f Entwarmung (Ew) 641 Entwasserung - elektroosmotische 310 - gravitative 306f,487f - mit Vakuum 300,310,482 Entwasserungsbohrung 225 Entwasserungsstollen 399, 428 Entzugsleistung 640 EPB-Schild (T) 554ff, 562 Epizentrum (Eb) 157 EPS-Hartschaumstoff 361 Erdaushub (s. Bodenaushub) Erdbaurichtlinien (DB AG) 315, 323 Erdbeben 127, l37, l39, 142. 144, 196, 366f, 385, 388, 580, 646 - ausgeloste l39, 142 - induzierte l39, 142 - tektonische 139 - verursachte l39, 580, 646 - vulkanische l39 Erdbebeneinwirkung 137f,143ff Erdbebengebiet (s. Erdbebenzone) Erdbebenkatalog l37 Erdbebenzone l38, 140 144, 428,589 Erdbeschleunigung 29 Erdbetonstiitzscheibe 397 Erddruck 212,218,446 - aktiver 2l3, 218, 394 - -beiwert 215 - -berechnung 214 - erhiihter aktiver 214, 328 - passiver 2l3, 394 - verteilung 214 - aufWideriagerwand 327 Erddruckkraft 214 Erddruckschild (T) 555 Erddrucktheorie 213 Erdfall (K) 475,605.609, 615ff, 625,627 Erdfalldaten 626f Erdfallform 607 Erdfallgebiet 428, 605, 61Of, 616, 618,628,630 - im Jura 618 - im Keuper 617
Index
- im Muschelkalk 617 - in der Oberkreide 618 - im Rot 616 - im Zechstein 616 Erdfallgefahrdung 472, 610ff Erdfallhaufigkeit 627 Erdfallkarte 627 Erdfallpegel 634 Erdfallschutzplatte (K) 631,633 Erdfallsicherung 63lff Erdfallstadium 607 Erdgasfiirderung l39, 142 Erdplanum (E) (s. Planum) Erdruhedruck 213,328 Erdstrom (R) 388 Erdtemperatur (Ew) 637 Erdwarme 637ff Erdwarmekollektor 643 Erdwarmkorb 644 Erdwarmesonde 640ff,647f Erdwiderstand 213 Ereignisdokumentation (R) 376 Erfassung von Verdachtsflachen 439 Erkundungsschacht 161, 377, 470 Erkundungsstollen 161, 470ff, 582 Erlaubnis 156 - bergrechtliche 648 - wasserrechtliche 87, 156, 163, 303,648 Erosion 15f, 93, 293, 582, 587, 625 - auBere 16, 352 - innere 16,203,230,625 - unterirdische 352, 625 Erosionskanal 15, 588 Erosionsschutzmatte 345 Erosionssicherheit 82, 293, 345, 347 Ersatz-Belastungsannahme (T) 539f Ersatzreibungswinkel 78, 405 Erschiitterung(seinwirkung) 14 2, 235ff, 290, 322, 369 Erschiitterungsmessung 237, 322 Erstarrungsbeschleuniger (Spritzbeton) 483 Erstbelastungsmodul 40,48 Erstickungsgefahr bei Kohlendioxid 492 Erweichbarkeit (Gestein) 480,499,589 Erzbergbau (Bg) 458 Erzbegleitmineral 442 Ettringit 285 ED -Wasserrahmenrichtlinie 156
Eurocode 2 Euronorm 2 Europaische Makroseismische Skala l37 Evatranspiration 101 Expansionsanker 571 Explosionsgrenze (Methan) 461, 492 Expositionsabhangigkeit (R) 369 Expositionsklasse AX (Gw) 285f Extensometer 190,339,402, 494,526,528 Extremniederschlage 388
r
Fallen 122,384 Fallkegelversuch 34, 71f Fallplatte 247,322 Fallrichtung 122 Pallung (v. Schadstoffen) 434 Fallwinkel 122 Farbansprache 175 Faseroptisches Seismometer (K) 635 Fassungsbereich (Gw) 156 Fassungsvermogen (Brunnen) 311 FDKW-Verfahren (E) 326 (s. FiniteFE-Berechnung Element-Berechnung) Fe-Gehalt (Gw) (s. Eisengehalt) Feinbindemittel 248 Feinkalk 329 Feinnivellement 634 Feinporen 81 Feinstbindemittel 248, 250f Feldkapazitat 81, 232 Feldparameter (Gw) 182 Fels (E) 7, 262 - leicht los bar 108 - schwerlosbar 108 Felsanker 296,301 Felsarten 184f Felsbiischung 342f, 353 Felsoberflache 116, 151 Felsspion (R) 462 Felssturz (R) 365f, 384f, 395, 404,410,415 Felstemperatur 470 Fertigpfahl 256, 268 Feste Fahrbahn 327, 336 Festgestein 7, 113 Festgesteins-Klasse 108f, 269 Festigkeit 38, 56 Festigkeit von Gesteinen 111, 115 Feststoffgehalt 449 Feststoffsuspension 248 Feuchtdichte 29, 33
725
Index
Feuchtwichte 29 (s. a. Wichte) Feuerletten (R) 412 Filtergeschwindigkeit 16, 81, 578 Filtergesetz 81 Filterkies 15, 18f, 181, 183 Filterkriterium 250 Filtermaterial 16ff, 87 Filterregel 16ff Filterrohr 182, 306 Filtersand 19, 182 Filterstabilitat 16, 588, 597 Filterstrecke 18lf, 306 Finite-Element-Methode (FEM) 194,215,542 Firstablosung (T) 518 Firstsetzung (T) 53lf Firstsicherung (T) 568, 574 Firststollen (T) 548 Flachbrunnen 307 flache Rutschung 349f flachendeckende dynamische Verdichtungskontrolle (E) 326 Flachendran 277 Flachengriindung 241 Flachenkreislaufwirtschaft 444 Flachenrecyciing 444 Flie1~en (R) 384, 388, 392 FlieBgeschwindigkeit (Gw) 8lf, 99f. 432, 578 - kritische 587f - wahre 587 FlieBgrenze 34, 36 FlieBkanal 83 FlieBrichtung (Gw) 100 FlieBrutschung 342 FlieBsand 305 FlieBzeit (Gw) 100 Flowmetermessung (Gw) 96 Fliigelsondierung 72, 171,262 Fluid-Logging-Verfahren 96 Flusswasserstand 276 Flutungswasser 460 Flutwelle 356, 406 Forderhohe (Gw) 87 Forderleistung (Gw) 87,280 Forderrate (Gw) 87 fossile Rutschung (s. Rutschung) fossiler Einbruchsschlot (K) 366,407 fotogrammetrische Messung 376,378 Frankipfahl 269 Frasbarkeit (T) 549 Fras-Misch- Injektionsverfahren (FMI) 363, 397 Freiliegedauer (Geok) 331
Freispielanker 296, 570 Frequenz 236,238 Frost-Tau-Wechsel-Versuch (E) 116 Frostwirkung 334 Frostempfindlichkeit 334 - Boden 241, 334f, 578 - Festgestein 334 Frostempfindlichkeitsklasse 334f frostfreie Griindungstiefe 241 Frosthebung 518 Frostschutzmaterial 15, 335 Frostschutzschicht 335f Friihwarneinrichtung 401, 634 Fugenband 245,486 Fuller-Kurve 31 Fundamentarten 241 Furan (PCDF) 443 FuBaufweitung (Pfahl) 255, 268,272 FuBscholiengeneration (R) 380, 408 FuBverpressung (Pfahl) 272 Gabionen 346 Gamma-Dichte-Messung 188 Gamma-Ray-Log 187 Gamma-Strahlung 29, 183 Gasaustritt (Gebirge) 492 Gasmigration 462 GDA-Empfehlung 423 Gebirge 7, no, 118 - blockiges 554 - druckhaftes 540.559 - gebraches 539,547 - geringer Festigkeit 539 - nachbriichiges 539, 559 - standfestes 539 Gebirgsart 507 Gebirgsauflockerung - oberflachennahe 123,262, 369,455,517 - tektonische 123, 128, 148,428, 516,541 Gebirgsbelastungsverfahren 54 Gebirgsdruck 519,521,533,540, 544 Gebirgsdruckfestigkeit 95 Gebirgsdurchlassigkeit 82f, 98, 428ff, 477, 586, 599, 649 (s. a. Durchlassigkeit) Gebirgsentlastungsverfahren 53 Gebirgsfestigkeit 62, 494, 531 Gebirgsgiiteklasse (T) 500 Gebirgsklasse (T) 500, 503, 510, 547,566
Gebirgsklassifizierung (T) 500, 503,51Of - qualitative 500f - quantitative 500 - flir Vortriebsmaschinen 560f Gebirgsqualitat Q (T) 504, 506 Gebirgsscherfestigkeit 78, 22lf, 395,531 gebirgsschonende Boschungsherstellung (E) 318 Gebirgsspannung 52 Gebirgstragring (T) 534 Gebirgstyp (T) 503, 509f Gebirgsvergiitung - mittels Injektionen 551,555, 575 - durch Bodenvereisung 578 Gebirgsverhalten, geandertes (T) 515 Gebirgsverhaltenstyp (T) 507, 609 Gebirgszugfestigkeit (s. Zugfestigkeit) gebraches Gebirge (T) (s. Gebirge) Gebrauchstauglichkeit (s. Grenzzustand) gebundene Wasserhiille 25,33, 81,232 gedrantes System (T) 490 Gefahrdung 402 - akute 628 - latente 628 - potenzielle 628 Gefiihrdungsabschatzung 440f, 454 Gefiihrdungsbild 466, 472, 559 Gefahrdungsgrad 627 Gefahrdungskarte 372 Gefahrdungsklasse (Erdfalle) 627f,633 Gefahrdungszone (K) 472 Gefahrenbeurteilung 402 Gefahrenhinweiskarte l35f, 372 Gefriervorgang (T) 578 Geflige III Gelandebruch 215 Gelandebruchberechnung 215 ff Gelandehebung 460 (s. a. Baugrundhebung) Gelandesenkung 233f, 459 geochemische Barriere 434 geodatische Messung 212, 376ff, 403 geodatische Winkelmessung (T) 526 Geoelektrik 150,376 geogene Bodengase 154,462 geogene Grundbelastung (s. Grundbelastung)
726 Geogitter 331,333,356 Geogitter-Verbundkonstruktion 246, 633 Geoinformationssystem 136 Geokunststoff 246, 329ff geokunststoffbewehrte Boschung 356 geokunststoffbewehrte Konstruktion 246, 362, 396 Geokunststoff ummantelte Sand- oder Mineralstopfsaule 246,362 Geologenerlass 134 Geological Strength Index (GSI) 506 geologische Barriere 425, 427f geologische Spezialkarte 134, 370,376,442,580 geologische Vorbelastung 51 geologische Untergrundklasse (Eb) 144 geologischer Risikofaktor 466 geologisches Tiefenlager 424 geophysikalische Bohrlochmessung 187f geophysikalische Erkundung 150ff, 454, 471, 473, 580f,628 Georadar 152 geosynthetische Dichtungsbahn 579 geotechnische Kategorie 103, 133,215 geotechnische Messung (T) 526,547 Geotechnischer Bericht (Gutachten) 4, 134 Geotextilfilter 18, 332 Geotextilrobustheitsklasse (GRK) 332 Geothermal Response Test 639 Geothermie-Heizwerk 646 Geothermie-Kraftwerk 470,646 geothermische Kennwerte 638f geothermische Tiefenstufe 643 geothermischer Gradient 643 Geozelle 331 Geringfiigigkeitsschwelle(nwert) (Gw) 252,422,440 Geringleiter (Gw) 99, 179 Gerollstromrutschung 388 Gesamtharte (Gw) 282f gesattigte Bodenzone 91, 431 geschlossene TBM mit Schild 554 geschummerte Reliefkarte 370 gespanntes Grundwasser 89f, 179 - artesisch 179f, 185
Index
- subartesisch 179, 202 Gestein 114 - dauerhaft festes 115 - erweichbares 115 - losungsfahiges 115 - inkompetentes III - kompetentes III - quellfahiges 24, 64ff, 115, 521ff,611£ - verwitterungsanfalliges 115 - verwitterungsbestandiges 115 gesteinsbildende Minerale 110 Gesteinsdruckfestigkeit (s. Druckfestigkeit) Gesteinsdurchlassigkeit 82f Gesteinsfestigkeit 116£, 177 Gesteinsharte 111, 115 Gesteinspermeabilitat 113 Gesteinsporositat 213 Gesundheitsschutz 441 Gewasserbenutzung (WHG) 156, 303 Gewebe (Geok) 331 GEWI-pfahl 273 Gips 24, 66, 234f, 282, 590, 611ff,617 Gipsauslaugung 410, 590 Gipsersatzverfahren 28 Gipshang 410,618 Gipshut 616, 624 Gipskarst 410, 611ff Gipsspiegel 612 glasfaserverstarkte Kunststoffanker (GFK-Anker) 568,572 Gleichkornigkeit 11 Gleisschotter 15, 336, 447 Gleiten 221, 223, 242f, 384ff, 405,416 Gleitfestigkeit 67 Gleitflache (R) 216£f, 377ff - ebene 217,386,392,404 - gebrochene 218,392 - kreisfOrmige 219,392 - schalenfOrmige 219, 385 Gleitflachenwinkel (R) 214 Gleitkreisuntersuchung (R) 219, 355f Gleitmikrometer 190, 402, 528 Gleitsicherheit 201, 355f Gleitungskluft 119f Global Positioning System GPS 378,634 Gltihverlust 23 GOCA-System 403 Grabenbildung (R) 387 Grabenbruch, saxonischer 131 graben loser Leitungsbau 560 Gradient - geothermischer 637f,646
- hydraulischer 293 Gratbildung (R) 373 Greiferbohrverfahren 167 Grenzabstand 353, 642 Grenzdurchlassigkeit (Versickerung) 279 Grenzkornverteilung 250 Grenzmantelreibung 263 Grenzsetzung 260 Grenzwassermenge (T) 478 Grenzwert-Korndurchmesser 248 Grenzzustand 194,204 - der Gebrauchstauglichkeit 174, 194f, 207, 215 - der Tragfahigkeit 194f,201 Grenzwinkel 526 Gripper-TBM (T) 550 Grobporen 81,279 GroEbohrkern 74, 494 GroEbohrpfahl 27l, 290, 400 GroEdtibel(R) 400 GroEerdfall 615, 62lff, 630 GroEhangbewegung (R) 390 GroEkluft 119f, 125, 149,342 GroEkreis 126 GroEprobe 493 GroEscherversuch 73ff Grubengas 462 Griindungsart 241 Griindung 241 - auf Fels 243f - auf Lockergestein 241 ff Griindungspolster 246, 333, 361 Grundbelastung, geogene 442, 444,492 Grundbruch 193, 204f, 242, 355,360,520 - hydraulischer 202, 290 - des KalottenfuEauflagers (T) 541 Grundbruchsicherheit 204 Grundgleichung der Setzungsberechnung 206 Grundsatzpriifung (Anker) 299 Grundwasser 101, 156, 162, 179, 202,243,275,505 - artesisch gespanntes 180, 185, 377 - betonaggressives 298, 446 - gespanntes 89f, 179,481 - -schutz 476,479,482 - subartesisch gespanntes 180, 202,377 - ungespanntes (freies) 89f Grundwasserabfluss (T) 479
727
Index
Grundwasserabsenkung 233f, 175f, 303ff, 459f, 486, 490f, 446 - Berechnung 311,488 - Reichweite 307,480 - mit Brunnen 306ff, 488 - von uber Tage (T) 486f, 490 - voreilende (T) 482 Grundwasseranfall (T) 480f, 489 Grundwasserbeschaffenheit (chern.) 304 Grundwasserduker 314 GrundwasserflieGgeschwindigkeit (s. Abstandsgeschwindigkeit) GrundwasserflieGrichtung 100, 480 Grundwasserfluss-Visualisierungs-Messsystem 100 Grundwassergefalle 86, 100 Grundwassergeringleiter 99, 179 Grundwassergleichenkarte 100, 582 Grundwasserhaltung 139, 303ff Grundwasserhemmer 98f Grundwasserkommunikationsanlage 313f Grundwasserleiter 98 - freier 89f, 98 - gespannter 89f, 98, 649 - halbgespannter 98, 487 Grundwassermanagement 461 Grundwassermessstelle 19,87, 156, 185,275,280,37~480, 582 - Ausbau 181 - Durchmesser 181, 186 Grundwasserneubildung 101, 478f Grundwasserneubildungsspende 101 Grundwasserprobe 182, 280f - schichtspezifische 281 Grundwasserschutzgebiet 156 Grundwasserstauer 99, 487 Grundwasserstockwerk 99, 156, 162, 179, 182, 202f, 477f, 649 - gespanntes 162,202,481,648 - schwebendes 99, 480f Grundwasserstromung 224, 446,542 Grundwasserstromungsmodell 477 182, Grundwassertemperatur 477 Grundwasser-Warmepumpe (Ew) 644 Gruppeneinteilung (Boden) 103 grusiger Gesteinszerfall (s. Zerfallserscheinung)
GSI-System 506 Guteklasse (Bodenproben)
158f
Haftwasser 24f,81, 101 Halbfestgestein 113f, 262, 321ff (s. a. veranderlichfestes Gestein) Halbdeckelbauweise 546 halboffene Bauweise (T) 545f Halde(nboschung) 342, 453 Haldenrutschung 388 Halloysit (Tm) 20 Hammerschlagprobe 177 Handprufverfahren 111, 177 Hangmure 389 Hangneigungsklasse 376 Hangrutschung 384 Hangschub 401 Hangschutt 13,341,351 Hangsickerstrang 349, 398 Hangstabilitatskarte 371 HangzerreiGung 48,52, 123, 339,350,407,517 HangzerreiGungskluft 123, 586 Hannover Modell 438 Harnisch 83,118,120,149,178, 377 Harte - der Gesteine 111 - der Minerale 110,547 Hartegrad (Gw) 282f harter Einschluss 56 Harteskala von Mohs 110 Hartestabilisator (T) 484 Hartgele 251 Hartgestein 111 Hartgesteins-TBM (T) 550,552 Hartgesteins-TBM mit Schild 551 Hartmetallbohrkrone 165 Haufwerksstuckigkeit 319 Hauptdaten (Tsp) 579 Haupt(normal)spannung 37, 50, 54,127,146 HDD-Bohrtechnik 399,560, 562 HDI-Verfahren 253, 599 HDI-Schirm 575 Hebung (infolge Entlastung) 148,193,22~231,233 Hebungsinjektion 248, 252, 577, 631 Heilquellenschutzgebiet 156f, 303,648 Helium 154f Herausziehwiderstand 264, 292,300 Herdmauer (Tsp) 595
Herdtiefe (Eb) 137, 140, 143 Herstellen einer Felsboschung 345 Hinterfullungsbereich (E) 327 Hintergrundbelastung 444 - mit chlorierten Kohlenwasserstoffen 444 - nutzungsbedingte 444 - ubiquitare 444 Hochdruck- Dusenstrahlverfahren (HDI) 253, 599 Hochstquantil (E) 323 Hochstwassermenge (T) 478 Hochwasserruckhaltebecken 579,592 Hochwasserstand 276 Hochwasserstatistik 276 Hohlraum-Bruchmassen-Modell (Bg) 456 Hohlschneckenbohrverfahren 167,641 Holzpfahl 268 Homogenbereich 110, 121, 160, 196,379,537,544 Homogener Damm (Tsp) 594 Hook'sches Gesetz 40,205 horizontal wirkender Gebirgsdruckanteil (T) 541 Horizontalbohrtechnik 296, 560 Horizontalbrunnen 478 Horizontaldranung 398 horizon tale Einwirkung auf Pfahle 264 Horizontalisolierung 277 Horizontalspannung 50.51,54, 145f Horizontalspannungsuberschuss 52, 147,287,457 Horizontalsperre 277 Horizontalverformung 123,358 Hot-Dry-Rock-Verfahren (HDR) 647 Huminsaure 285 Humusgehalt 10,249, 434 Hydratation (von Anhydrit) 66, 521f, 611f, 649 Hydrationswasser 24 Hydraulic Fracturing 52,54f, 252 hydraulische Bemessung (Dr ansystem) 277 hydraulische Druckhohe 91 hydraulische Instabilitat 15f, 305,587 hydraulische Leitfahigkeit (Gw) 80 hydraulische Rissbildung 248, 647 hydraulische Sicherheit 18
728 hydraulische Zugfestigkeit 647 hydraulischer Gradient 16, 82, 85,432,587 hydraulischer Grundbruch 203, 305 hydraulisches Bindemittel 248, 337 hydraulisches Gefalle 81f,224, 481 Hydrofracturing 53 hydrogeologisch giinstiges Gebiet 649 hydrogeologisch sensibles Gebiet 649 hydrogeologische Quellkartierung 149,470,476,491 hydrogeologischer Langsschnitt 479 Hydrojacking 93 Hydrologisches Jahr 275 Hydroschild (T) 554ff hydrostatischer Druck 224, 545 hydrothermale Gesteinszersetzung 115 hydrothermales Stiirungsgestein 115,471 hydrothermales System (Ew) 645 Hydro-Zementations-Verfahren 397,400 Illit (Tm) 10, 19f, 437f Imlochhammerverfahren 167, 641 in situ-GroBversuche 73ff, 493 in situ-Spannungsmessung 146 indirekte Aufschlussverfahren 167 Indexversuch 8 Infiltrometerversuch 91 ingenieurgeologische Dokumentation 559 ingenieurgeologische Karte 135 ingenieurgeologische Tunnelkartierung 511,515,535 Inhomogenitat 7 Injektion 248, 576 Injektionsanker 298, 576 - selbstbohrend (T) 572 Injektionsbohranker (T) 572 Injektionsdruck 249f, 475, 601 Injektionsdiibel 400 Injektionsparameter 249 Injektionsrohrschirm (T) 574 Injektionsschleier (Tsp) 599 InjektionsspieB (T) 574f Injektionsversuche 253, 603 Injizierbarkeit eines Lockergesteins 250f
Index
Injizierbarkeit von Fels 249,251, 576 Inklinometer 190,339,394,400, 403,526,528,545 Innendichtung (Tsp) 594 Innenschale (T) 544 instabile Talflanke (Tsp) (s. Talflanke) instrumentiertes Bohren 163 Integral Sampling Methode 165 Integritatspriifung, dynamische 258 Intensivverdichtung (E) 363 Isotopensonde 28, 326 ISO-Norm 2 ISRM-Empfehlung 8
Jahresarbeitszahl (Ew) Jet-Grouting 253
643
Kabellichtlot 183 Kaltetrager (T) 578 Kakirit 129 Kalibermessung 189 Kaliumpermanganat-Verbrauch 284 Kalkgehalt 22f Kalkhydrat 329 Kalk-Kohlensaure-Gleichgewicht 282 Kalkliisekapazitiit 284 Kalksinterbildung 278. 483f Kalksteinkarst 84 (s. a. Karbonatkarst) Kalkzugabe (E) 328f Kalotte (T) 546ff Kalottenausbruch (T) 546f KalottenfuBgewiilbe (T) 568 KalottenfuBpfahl (T) 503, 569 KalottenfuBverbreiterung (T) 568 Kalottensohle (T) 569 Kalottensohlgewiilbe (T) 568 Kalottenvortrieb (T) 547 Kampfmittel 157 Kaolinit (Tm) 10, 19f, 438 kapillare Steighiihe 102,232,334 kapillare Wasseraufnahme (Gestein) 102 Kapillarkohasion 77 Kapillarpyknometer 27 Kapillarwasser IOIf Karbonatgehalt 10, 23 Karbonathiirte 282 Karbonatkarst 606ff, 627, 632 Karlsruher Modell 438 Karst 590, 607
- bedeckter 607,616 - nackter 607,616 Karstgebiet 279,428,473,592 Karstgefahrdungskarte 627 Karstgestein 605 Karstgrundwasserleiter 477,649 Karsthiihle 473, 605f, 618 Karsthohlraum 473, 628, 630 Karstquelle 473, 609 Karstwassereinfluss 473 Karstwasserspiegel 473f,605 Kataklasit 124, 129 Kationenadsorptionsvermiigen 434, 438 Kationenaustauschfahigkeit 434f Kationenaustauschkapazitat (KAK) 434f KB-Wert 238 KD-Versuch 43,64,85,211 Kennbuchstabe 105 Kennwert, charakteristischer 196,493,495,53~543, 556,630 Kennwertdatenbank 8 Kennzeichnender Punkt 206, 210 Kernbohrung 121,163,377 Kerndurchmesser 164f Kerngewinn 163 Kernmarschlange 165 Kernrohr 163,165 Kernverlust 178,187 Keyblock 125,518 Kiesverfiillung (Erdfall) 632 Kippen 221,223,384,395,453 Kippen(biischung) 342f Kippenrutschung 388 Kippsicherheit 201 Kippwinkel 222f klaffende Sohlfuge 199 Klarpumpen (Gw-Messstelle) 181 Klassifikation - Boden 103, 162 - Fels 103, 162 - fUr Kliifte 119f Klassifizierungssystem (T) - qualitatives 50 If, 507f - quantitatives 504ff Klebeanker (T) 57l Klebrigkeit (T) 480, 549, 555 Klei 106, 136, 288, 357 Kleinbohrverfahren 162, 167 Kleindiibel (R) 400 kleine Eiszeit 382 Kleinextensometer 47,55 Kleinkluft 119f, 125 Kleinstpumpe 280
729
Index
Klimaanderung 368f, 382, 403 Kluft 118, 505 Kluftabstand 83, 124, 223, 505 Kluftabtreppung 221 Kluftauswertung, statistische 121 Kluftfiillung 80,123 Kluftgrundwasserleiter 84, 98ff, 477 Kiiftigkeit 108, 121 Kliiftigkeitsziffer 124, 177 Kluftkarst 473 Kluftkiirpergrii6e 197,125,541 Kluftkiirperverband 552 Kluftreibungswinkel 80, 222f Kluftrose 125 Kluftschar 83 Kluftvolumen 123 - durchflu6wirksames 84, 586 Kluftwasserdruck 224f, 368 Kluftweite 80, 83, 250f Knollenmergelrutschung 411f Koagulation 9 Koaxialsonde (Ew) 641 Kiirnungslinie 11, 86 Kohasion 38,66,77,214,341 - im undranierten Zustand (cJ 57,68, nf, 145, 171£,205, 261f - scheinbare 44, 67, 77, 102 Kohlendioxid (C0 2 ) 154f,283, 492,607 Kohlensaure 283 - aggressive 283ff - freie zugehiirige 284 - gebundene 284 - kalkliisende 283ff, 299 Kohlensauregehalt des Grundwassers 284, 607 Kohlenwasserstoff 304,437 - chlorierter 304, 437 - geogener 442 Kolmation 16 Kombinationsbrunnen 308,310 Kombinationsdichtwand 293 Kombinierte pfahl-Plattengriindung (KPP) 256 kombinierte Rutschung 387 Kompensationsmessung 54 kompetentes Gestein III Kompetenz (Gestein) 63f komplexe Rutschung 391 Kompressionsbeiwert 42 Kompressions-DurchlassigkeitsVersuch 41,85 Kompressionswelle 235, 506 Konditionierungsstoff (T) 493, 555 Konizitat (T) 553 Konkretion 179
Konsistenz 35, 170,242 Konsistenzbalken 36 Konsistenzgrenze 33, 72 Konsistenzzahl 36 Konsolidation 41,44,68,70,86 Konsolidationssetzung 45, 206ff, 212, 234, 360f konstruktive Langsbewehrung 241,244 Kontakterosion 15 Kontaktscherfestigkeit 67 Kontinuum 194 Kontraktorverfahren 293, 642 kontrollierte Schiittung (E) 360 Konvergenz(messung) (T) 494, 519,526,531 Konversionsliegenschaft 439 Kornbindung Ill, 116f, 495 Korndichte 27 Kornform 12, 76 Korngefiige 110, 112, 114 Korngrii6enverteilung 9, llf, 30, 76,78, 105, 145 Kiirnigkeit 112 Kornkennziffer 11 Korrosion (vo Metallen) 285, 296,570 Korrosionsschutz 290, 570 Kreislaufwirtschafts- und Abfallgesetz (Krw-/AbfG) 422,446 Kreisringscherversuch 69 Kriechdruck 394, 544 Kriechen (R) 369, 382, 392, 394, 521,592 - der Felsoberflache 389, 408 - von Schuttmassen 408 Kriechsetzung 45, 206 Kriechverformung 221,384, 401 Kriegsaltlast 439 Kristallingestein llO Kristallisationsdruck 234, 499 Kristallisationsversuch ll3f kritische Schichtneigung (R) 342,351 kritische Sickerstriimung 204, 587 kritisches Gefalle 203, 587 Kriimmungsradius 229 Kriimmungszahl 12 Kunstharzinjektion 251£ Kunststoffbewehrte Erde (KBE) 356 Kunststoffdichtungsbahn (KDB) 278,315, 331f, 486, 544 Kurve von Talbot 31 Kurzanker 296, 570ff Kurzpumpversuch 89, 182,281, 306
Kurzzeichen (Boden- und Felsarten) 184, 186 Kurzzeitanker 296, 570
L LAGA-Mitteilung M 20 319, 422,446,492 Lagenkugel 121, 125 Lagerstattenart (Bg) 454 Lagerstattengesetz 156, 647 Lagerungsdichte 30ff, 76, 78, 145, 168, 170, 174 - bezogene 31 LAK-Wert 498 Lamellenverfahren 215 laminares Flie6en (Gw) 82,84 Landesgrundwasserdienst 275 Landschaftsschutzgebiet 157 Langsbewehrung, konstruktive 241 Langenanderung (i. Boden) 631 Liingsschnitt mit Matrix (T) 510 Langssickerschlitz 349 Langzeitbestandigkeit toniger Barrieregesteine 436f Langzeitsetzung 45 Lanzeninjektion 249 Laserscanner 121, 149,370,375, 378,622 Lastfall 195 Lastflache - schlaffe 206, 210, 359 - starre 206, 210 Lastglocke (T) 538 LCPC-Abrasionskoeffizient (T) 496,498,552 Lebendverbau(E) 345,349 Leckwassermenge 487 Leerlaufverhalten (T) 479 Lehmdecke (Tsp) 598 Lehmsporn (Tsp) 599 Lehnentunnel 478,517 Leichtbaustoff 361 leichte Rammsonde (DPL) 168, 172 Leitungstunnelbau 560ff Lieferkiirnung 14, 18 Linear-elastisches Verformungsverhalten 37, 194 Lineation 148f Liner 249,441 (so ao PVC-Liner) Linienlast 200 Liquefaktion (Eb) 145,589 Liquiditatszahl 36 Litzenanker 298 Lochkarst 473 Lockergesteinsanker 296, 301 Lockergesteinsklasse 108f Lockerungssprengung 318,345
730 LongitudinalweIIe 150, 235 Losbarkeit (Gebirge) 59,459 Losen von Boden und Fels (E) 317 Losesprengung (E) 318 Loslichkeit - von Chloriden 619 - von Dolomit 608 - von Gips 612 - von Kalkstein 607 Loss 15,44,98,211,352,442 Losssubrosion 458, 625 LosskeIIer 626 Luftbildauswertung 148f,370, 375,472, 580f, 626 Luftdurchlassigkeitswert 489 Lufthebebohrverfahren 167 Luftporenanteil 323 Luftpyknometer 27 Luftschall 237 Lugeon-Kriterium (Tsp) 584 5-M-Methode 515 magmatisches Gestein III Magnesium 284 magnetische Missweisung (Kompass) 512 Magnetkies 24 Magnitude (Eb) 143 Magnitudenskala (Eb) l37 Makrorauigkeitsgrad (Trennflache) 122 Man made seismicity (Eb) l39 Manschettenrohrinjektion 249, 253,576 Mantelreibung 170,255,266, 270 - negative 265 Mantelreibungswerte 300, 302 Mantelverpressung 272 Markasit 24 Markierungsversuch (Gw) 100 Marmorlosungsversuch nach Heyer 284 Marmorpulverzusatz 281f maschineIIer Vortrieb (T) 493ff Maschinendurchmesser (TBM) 556 MaBhaltigkeit des Ausbruchsquerschnitts (T) 518 MaBnahmen gegen Bodenerschiitterungen 238f MaBnahmewert (Bodenschutz) 421,440 Massenausgleich (E) 315,339 Massenbewegung (R) 365, 403 Maximalwertverfahren (Bg) 456
Index
Mehrausbruch (T) 553, 563, 565,574 Mehrbarrierenkonzept 427 MehrfachmesssteIIe (Gw) 183 Mehrstufentechnik 74 Mehrzonendamm (Tsp) 595 MeiBelverbrauch (T) 547 Mercalli-Skala (Eb) l37 metamorphes Gestein 111 Methan 154f, 462, 492 Methylenblausorption (Tm) 21 Microtunneling (T) 563 mikrobiologische Aktivitat im Boden 434 Mikroerdbeben 141f,590 Mikropfahl 272 Mikrorauigkeitsgrad (Trennflache) 122 Mikroseismizitat 141,649 Millisekundenziindung 319 Mindesterddruckbeiwert (Fels) 215,219 MindestpfahIIange 257 Mindestquantil (E) 323 Mineralbestand 110,495 Mineralharte 110f, 495, 547 Mineralische AbfaIIe 447 Mineralol 285 Mineralstoffe - gebrochene 14 - ungebrochene 14 Minipfahl 272 Mischbindemittel (E) 329 Mischboden (s. Boden) Mischungskorrosion (K) 608, 612 Mittelkluft 119f, 125 mittige Belastung 198 Mixed-in-place-Verfahren 247 Mixed-Layer-Minerale (Tm) 21, 25,437 Mixschild (T) 556, 563 Mobilitat der SchwermetaIIe 434 Mohr-Coulomb'sche Bruchbedingung 66,194,340 Moment 198 Momentziindung 319, 345 monolithische Decke 244 Monosol 251 Montmorillonit (Tm) 10, 19, 291,394,418,438,521 MSK-64-Skala (Eb) l37 Mudde 104ff, 136 Muldenlage 229, 230 Multibarrierenkonzept 422,427 Murfangsperre (R) 395 Murgang (R) 389, 395 Mutterboden (s. Oberboden) Mylonit 129
Nachankerung 573 nachbriichiges Gebirge 539, 553, 559 Nachgiebigkeitsprinzip (T) 540 Nachpriifung (Anker) 300 Nachweisverfahren (GEO) 195, 215 Nachtragsmanagement 514 Nachverpresstechnik (Anker) 297,300 nackter Karst (s. Karst) Nasssiebung 10 - schonende 10 Nassoxidation 23 Nassspritzbeton (T) 567 Nassvegetation 374 Nationaler Anhang (NA) 2 Natrium-Bentonit 21 Naturanaloga 425, 427 Naturschutzgebiet 157,428 negative Langenanderung 625 negative Mantelreibung 265f negative Randspannung 199 Neogen 146 neotektonische Bruchstruktur 146 Nettobohrgeschwindigkeit (T) 552 Netzbespannung 350 Neue Osterreichische Tunnelbauweise (NOT) 532,567 neutrale Zone (Ew) 637 Neutralisation alkalischer Tunnelabwasser 491 Newmark'sches Kreisringverfahren 208 Newton (N) 6 Niederdruckinjektion 249, 252, 576f Niederschlagsverteilung 368, 393,403,593 Nitrat 284 NiveIIement 494, 526, 629 Nomenklatur (R) 370, 384 Normaldiibel (R) 400 Normalspannung 61 numerische Berechnungsmethode 194,456,511,536,542f nutzbare Feldkapazitat 81 Oberboden 107, 446 Oberbodenauftrag 347 Oberflachenbeschaffenheit (Trennflache) 122 Oberflachendichtung 594f Oberflachendranung 398 Oberflachenkriechen 389
Index oberfachennahe Auflockerungszone 123 Oberflachennivellment (T) 526, 530 Oberflachenrutschung 347, 349,378 Oberflachensetzung 567 Oberfliichenwelle 143,235 bdometerversuch 41,207 offene Bauweise (T) 545f offene TBM 550 Offshore Bereich 133 bffnungsweite - Geotxtilfilter (0 90 ) 18 - Kluft 122f,586 Oktaederschicht (Tm) 19 Opalinuston 412 Open-End-Test 92 optimaler Wassergehalt 32 optischer Bohrlochscanner 188 organische Beimengung 23,434f organischer Summenparameter (CSB) 280 organoleptische Ansprache 441, 448f orientierende Untersuchung 439f,448 orientierter Bohrkern 166,377 Ornatenton (R) 412 Ortbetonbohrpfahl 269 Ortbetonpfahl 256, 269 Ortbetonrammpfahl 268 Ortsbrustanker (T) 518,568 Ortsbrustaufnahme (T) 511ff Ortbrustkeil (T) 568 Ortsbrustsicherung 567 Ortsbruststabilitat CT) 529,541, 568 Ortsbrustversiegelung (T) 518 osmotische Quellung 20 Osterberg-Verfahren 260 Oxidationsfarben 179,441 P-Welle 235 PAK (Polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe) 442,447 Packerversuch (i. Bohrloch) 95 Pascal (Pa) 6 passiver Erddruck 212 PCB (Polychlorierte Biphenyle) 443 Pelit 12 Penetration (T) 552, 560 Petrometer 72 Permafrost 369 Permeabilitat (Gestein) 82, 113, 426 PermeationCsrate) 433, 436
731
pF-Wert 232 Pfahlfusswiderstand (Rb) 255, 257ff,261 Pfahlgriindung 241,255 Pfahlgruppe 265f Pfahlmantelwiderstand (Rs) 255, 257ff, 262 pH-Wert 182,283,295,304,465, 493 Piezometer 183 Pilgerschrittverfahren 291 Pilotstollen (T) 470 Planum 323, 327 Planumschutzschicht (PSS) 15, 336 Plastifizierung von Tonsteinlagen 118,405,415 plastische Zone 539 plastisches Verformungsverhalten 132,540 Plastizitatsdiagramm von Casagrande 35, 106 Plastizitatszahl 35, 80 Plattendruckversuch 45, 201, 322f,494 - dynamischer 325 Plattengriindung 241 Plattentektonik 139 Plausibilitatspriifung 441 Poissonzahl 38,46,51,519,537 Polstergriindung 246 Polymere 554 Polyurethanharz 252 polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAK) 442, 447 Porenanteil 30, 81, 100 - durchflusswirksamer 30, 81 - nutzbarer 30,100,279 Porendurchlassigkeit 82 PorengroBen(klasse) 81 Porengrundwasserleiter 84, 99 Poreninjektion 248 Porenvolumen (s. Porenanteil) Porenwasser 212,576 - immobiles 24, 430 - mobiles 24, 430 Porenwasserdruck 38f,67, 170, 183,202,360,368,393f Porenwasserdruckmessung 39 Porenwasseriiberdruck 39f, 50, 214,357 Porenwasserunterdruck 40, 45 Porenwinkelwasser 24, 81 Porenzahl 30,42,86 Porositat 31, 113,426 Portalbereich (T) 469 Post-failure Bereich 40 Potenziallinien 224
Potenzialstromung 224 Prazisionsnivellement 379 Pressiometer 167f Pressrohrpfahl, hydraulischer 273 Preventer 180, 475 Primarsetzung 206, 358 Primarspannung(szustand) 50ff, 146, 177, 580, 590 Primarwelle 235 Prinzip der kleinsten Massenbewegungen (R) 395 Prinzip der Selbstverstarkung (K) 523,605 Probebelastung 257ff, 264 Probennahme 158ff, 441, 447 Probestau (Tsp) 581,593 Probeverdichtung (E) 322 Proctordichte 32f, 322f - einfache 32 - modifizierte 32 Proctorkurve 32f Proctorversuch 32f profilgenaues Sprengen (T) 565 Profilhaltung (T) 565 Profilieren einer Felsboschung 345 Profilkontrolle (T) 566 progressiver Bruch (s. Bruchverhalten) Proportionalitatsgrenze 40 Priifmethode (E) 323 Priifwert der BbodSchV 421, 440,443 Psammit 12 Psephit 12 Pufferung 434 Pulse-Test 95 Pumpensumpf 305,312,480 Pumptest 95 Pumpversuch 87, 156,644 Punktlastfestigkeit 61 Punktlastindex 61,505 Punktlastversuch 60 PVC-Liner 160, 163 (s. a. Liner) Pyknometer 27 Pyrit 24, 136, 234, 282, 350 Pyritoxidation 24, 115,460 Q-System (T) 504 Qualitat d. Kernmaterials 176 Quelldruck(index) 64ff, 234, 519, 521ff, 544 Quelldruckversuch 64f Quellen 64 - toniger Gesteine 64f, 231, 309
732 - von Anhydrit 66ff quellHihige Tonminerale 64, 77ff,I28, 341, 350ff, 368, 394, 405,418,522 Quellgesetz 524 Quellhebung(sindex) 64ff, 234, 522,524 Quellkartierung (Gw) (s. hydrogeologische Quellkart.) Quellon 162, 183 QuellmaB 65 Quellton 162 Quellung - innerkristalline 20, 64 - osmotische 20, 64 Quellversuch 64 Querschnittsunterteilung (T) 501,518,547 Quickton 73, 389 Quicktonrutschung 389 R-Welle 235 Radartechnologie 153 Radialdruck 526, 532 radioaktive Abfalle 424 Radiokarbondatierung 380 radiometrische Verfahren 28, 326 Radon(konzentration) 154ff, 492 Radongebiete 155f Rahmenscherversuch 68 Rammfilterbrunnen 181 Rammhindernis 268, 290 Rammkernbohrung 167,377 Rammkernsondierung 167, 629 Rammpfahl 267 Rammsondierung 167f,I72, 261£, 377, 454 - leichte (DPL) 168, 172 - schwere (DPH) 168,172 Randwassertrieb 234 Rasterelektronenmikroskop 10 Rauigkeitskoeffizient (Trennflache) 122 Raumwelle 235 Rayleighwelle 235 Rechenprogramm - analytisches 194 - halbempirisches 194 - numerisches 194,392 Recyciingmaterial 14f, 107,319 182 Redoxpotenzial Reduktionsfarben 179,441 Referenzanalyse 282 Reflexionsseismik 151,628 Refraktionsseismik 108, 150, 318,376,628
Index
Regelboschung(sneigung) 339, 355f Regeneffekt (T) 478 Regenschirmabdichtung (T) 484 regulare Salzauslaugung (K) 620 Reibungspfahl 255, 263 Reibungswinkel 38,66,214 Reichweite der Grundwasserabsenkung 304, 311ff Reindichte 27 ReiBbarkeit (E) 318 Residualbildung (K) 169,614, 626,629 Residualbrekzie (K) 615, 626 Residualgestein (K) 410 Residualton (K) 79, 614 Resonanz(effekt) 237 Restrisiko 467 Restscherfestigkeit 67ff, 73f, 77, 217,352, 394f, 405, 418 Restspannung(santeil) - horizontale 52, 339 - tektonische 52,147 Restwassermenge 295 Retardation 434f Retention 434 rezente tektonische Spannung 52, 145ff RG-Produkte 446 rheologischer Effekt 37, 394 Richter-Skala (£b) 137f Richtlinie DB AG Erdbauwerke - RiL 836 315,323 Richtlinie DB AG TunnelRiL 853 465, 537, 568 Richtlinien fiir bauchtechnische MaBnahmen an StraBen in Wasserschutzgebieten - BeStWag 156,315 - RiStWag 156,315 Richtungsabweichung von Bohrungen 187 Richtungsgenauigkeit von Injektionsbohrungen 600 Rigole 341,349 Ringschluss (T) 541, 547f, 573 Ringspalt(verpressung) 553, 557 Risiko(analyse) 457,466 Risikobewertung 454, 467 - allgemein 455 - konkret (Erdfall) 627,630 Risikofaktor, geologischer 515, 559 Risikokarte 372 Risikoklasse 457, 467 Risikomanagement 465 Risikopotenzial 402
Risikozone (T) 466 Risse - an Bauwerk 229 - im Spritzbeton 567 Rissbreitemessung 526 Rissebild 229f, 238, 241 Rissefreiheit 229f RiStWag 156 Ritzbarkeit 177 Ritzharte Ill, 117, 611 Rock Abrasivity Index (RAI) 497 Rock-Fracturing-Verfahren 252, 577 Rock Mass Index (RM -Index) 506 Rock Mass Quality (Q-System) 504 Rock Mass Ratio (RMR-System) 504ff,512 Rot-Muschelkalk-Grenze 351, 407 Rohrreibanker (T) 571 Rohrschirm (T) 574 Rohrvortrieb 562 Rontgen -Pulverdiffraktometrie (Tm) 21 Rossival-Skala III Rotary-Verfahren 163,642 Rotationsrutschung 221, 387 RQD-Wert 121,177, 504f, 550f Riickgangigmachen der Absenkwirkung (Gw) 490 Riickhaltung organischer Verbindungen 435 Riickprallhammer 62 Riickprallwert 62, 116f Riickzug der Gletscher 381, 385 Riitteldruckverfahren 246 Riittelstopfverdichtung 246, 362 Riittelstopfsaulen 247 Ruhedruckbeiwert 50,52,519, 541 Rundumabdichtung (T) 486 Rundungsgrad 12 Rutner-Schopfer 281 Rutschgebiet 428, 593 Rutschung 365 - aktive 382, 404 - alte 381 - auslosende Faktoren 366ff - flache 345,378,407,416,418 - fossile 381, 387, 406, 592 - kombinierte 387 - komplexe 391 - tiefe 345,378,393,417 - rezente 382, 408 Rutschungsaktivitat 382, 391 Rutschungsanfalligkeit 366, 403ff
733
Index
Rutschungsdimension 370 Rutschungskartierung 374 Rutschungsmerkmal 370f Rutschungstyp 384
S
S-Welle 235 Sabelwuchs 373 Sachverstandiger 4, 440 Sackung 15,44,194,390 Sackungsempfindlichkeit 211 Sackungszone (R) 371 Salinarkarst 609, 618 Salzaufpressung 621 Salzgestein (K) 425 Salzhang (K) 620ff, 630 Salzkarst 590 Salzkissen 621 Salzspiegel (K) 612, 624 Salzstock (K) 148, 425, 616, 624 Sandersatzverfahren 28 Sandgehalt im Forderstrom (Gw) 88, 306 Sanierungsuntersuchung 439f SAR-Intergerometrie 379,629, 634 Sargdeckel(T) 518,572 Satellitenbild(auswertung) 149, 370 Sattellage 229f Sattigungsgrad 25, 81 Sattigungslinie 32 Sattigungssetzung 44, 321, 360, 596 Sattigungszahl 25, 32 Sauregrad n. Baumann-Gully 285 saxonische Bruchschollentektonik 130f saxonischer Graben(bruch) 131, 407 Schacht (Bg) 455 Schadenbeben (Eb) 140 Schadensfolgeklasse (R) 402 Schadensursache (T) - unvorhergesehen 515 - unvorhersehbar 515 schadliche Bodenveranderung 438 Schadstoffmigration 430ff Schadstoffriickhaltekapazitat 428,434 Schadstoffriickhaltung 433, 436 Schadstofftransport 430, 433 Schallharte 60, 151 Scherbruch 119f, 204, 494, 520 Scherbruchzone 126, 148 Scherfestigkeit 67, 75ff, 214
- abgeminderte 78ff, 34lf, 352, 414 - auf Kluftflachen 79 - auf Schichtflachen 75, 78f, 287,395 - aufTrennflachen 73,78,395, 531 - undraniert 57,68, 71f, 145, 17lf, 205, 26lf, 288, 358, 392f - von Boden 76ff - von Fels 78ff Scherfestigkeitsparameter 38, 77, 358, 392f Scherparameter 68,214 - effektive 68, 77 - scheinbare 44,67,77, 102 - wirksame 68, 76, 205, 394 Scherwelle(ngeschwindigkeit) 43,235 Scherzone (tektonische) 127ff - duktile 129 - mylonitische 80 - sprode 129 Schichtabstand (Tm) 20 Schichtenverzeichnis 173,176 Schichtflache 118, 125 Schichtgitter (Tm) 19 Schichtsilikat (Tm) 19 Schieferung(sflache) 118, 124, 132 Schiefstellung von Bauwerken 201, 228f, 577, 631 - zulassige 202 Schiefstellung von Baumen (R) 373 Schildmaschine (T) 554ff Schildschwanz(dichtung) (T) 553 Schildvortrieb (T) 557, 562 Schlacke 446f Schlammbildung 549 Schlammstrom (R) 388 Schlauchkernrohr 164,441 Schlauchwaage 212 Schleifharte nach Rosival 111 Schlick 106,357 Schlie6erinjektion 253 Schlitzentlastungsversuch 54 Schlitzwand 290ff, 599 Schlitzweite (Filterrohr) 183, 306 Schluckloch (Tsp) 581,592,598 Schluckversuch (in Bohrung) 91 Schluff 106 Schluffstein 114, 116 Schmalwand 294 Schmidt'scher Betonpriifhammer 62 Schmidt'sches Netz 121
Schneckenbohrpfahl 270 Schneidrollen (T) 552 Schneidwerkzeuge (T) 552, 555 Schnellverfahren (Wasserproben) 282 schonende Sprengarbeit (E) 318 Schragbohrung 178 Schrumpfen 34,231 Schrumpfgrenze 34 Schrumpfma6 34 Schrumpfrisse 412 Schrumpfsetzung 23lf, 278 Schrumpfversuch 34,231 Schubbeanspruchung 3~ 146 Schubmodul 38, 145 Schubspannung 38, 339, 356 Schubverformung 37 Schummerungskarte 149,375, 622 Schurf 160,172,377 Schiirfgrubenverfahren 28 Schiittelversuch 175 Schuttern (T) 565 Schiittmaterial - bindiges 356 - nichtbindiges 356 - steiniges (Fels) 317,321f Schuttstromkriechen (R) 389 Schuttstromrutschung 387f Schutzgebiet (Gw) 156 Schwallwelle (Tsp) 593 Schwarmbeben (Eb) 141 schwarze Wanne 178 Schwefelverbindung 24 Schwefelwasserstoff 154,281, 284,492 Schwellen 41 Schwellmodul 42,210 Schwellwert 42 schwere Rammsonde (DPH) 169,172 Schwermetalle 434 Schwinggeschwindigkeit 236ff Sedimentationsanalyse 9f Sedimentgestein 111 Seeton 211 Seichtsetzung 211 Seihwasser (T) 478 Seilkernrohr 164 Seismic Softgound Probing (T) 556 seismische Impetanz 151 Seismizitat (Eb) 139,647,649 - ausgeloste 139 - (fliissigkeits)induzierte 139, 647 - stauseeinduzierte 139, 589ff Seismotektonik 147 Seismotektonische Region 140
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