Die 1,7 km lange Hochmoselbrücke verbindet als Teilabschnitt der Fernstraße B50n Eifel und Hunsrück in Hochlage über der Mosel. Durch umfangreiche Erkundungsmaßnahmen vor und während der Bauausführung konnte ein detailliertes Bild der lokalen geologischen, hydrogeologischen und geotechnischen Verhältnisse erstellt werden. Danach kann zwischen den homogenen Baugrundverhältnissen im flachen Hunsrückhang (,,Osthang") und dem geologisch wechselhaften Eifelhang (,,Westhang") unterschieden werden. Im Bereich des Osthangs liegen quartäre Deckschichten dem weitgehend intakten Tonschiefer des Devon auf. Standsicherheitsdefizite oder besondere bautechnische Schwierigkeiten waren hier nicht zu erwarten. Die Gründungsarbeiten (im wesentlichen Pfahlgründungen) sind bereits abgeschlossen. Der Westhang erzwingt dagegen durch ein ausgeprägtes Hangrelief und einen, durch tektonische bzw. fossile Hangverformungen nachhaltig beanspruchten Gesteinsverband, deutlich aufwändigere bautechnische Lösungen. Hier werden kombinierte und bewährte Verbaumaßnahmen in Form von Spritzbetonschalen und Bohrpfahlwänden eingesetzt, um die Bauteile der Pfeilergründung von möglichen Hangverformungen zu entkoppeln. Hangbereiche, Baugrund und Bauwerk werden durch fernablesbare Messverfahren permanent überwacht.

Der Fachvortrag zur Veranstaltung ist im Volltext verfügbar. Das PDF enthält alle Bilder und Formeln.

1 Einleitung

Die Hochmoselbrücke ist Teil der überregionalen Fernstraßenachse A 60/B 50n/A 61, welche Belgien, Luxemburg und die Niederlande mit dem Rhein-Main-Gebiet verbindet. Der aktuelle Bauabschnitt der B 50 n umfasst etwa 25 km Strecke mit 41 Bauwerken, darunter die etwa 160 m hohe und 1,7 km lange Hochmoselbrücke zwischen Eifel und Hunsrück (Bild 1) im Bereich der Ortslagen Zeltingen bzw. Ürzig. Die im Taktschiebverfahren hergestellte Stahlkonstruktion ruht nach dem Abschluss der Arbeiten auf 10 taillierten Betonpfeilern. Unter Regie des Landesbetriebs Mobilität Trier als Auftragsverwaltung des Bundes laufen gegenwärtig die Arbeiten. Für 2018 ist die Fertigstellung vorgesehen.

Raumplanerische Untersuchungen mit entsprechenden Variantenstudien begannen Anfang der 1970er Jahre und bereits seit 1979 werden in mehreren Phasen zunächst geologische bzw. geotechnische Trassengutachten und dann, mit Konkretisierung der Planungen ab 1998, projektbezogene Baugrunduntersuchungen vorgelegt. Entsprechend der Bedeutung des technisch anspruchsvollen Großprojektes werden die Baugrunduntersuchungen mit begleitenden Monitoringverfahren bis heute unter Einsatz modernster Methoden nach dem aktuellen Stand der Technik fortgesetzt. Auch die laufende Anpassung an überarbeitete Regelwerke und Normen erfordert eine ständige Fortschreibung des geologischen und geotechnischen Kenntnisstandes.

Hinsichtlich der Baugrundsituation kann deutlich zwischen der südöstlichen Hunsrückseite (,,Osthang" mit Widerlager 50 und Pfeilern 4 bis 10) und dem steileren, nordwestlichen Eifelhang (,,Westhang" mit Widerlager 0 und Pfeilern 1 bis 3) unterschieden werden (Bild 2). Im vorliegenden Bericht werden die geotechnischen Randbedingungen des Westhangs vertieft beschrieben.

Im geologisch homogenen und flachen (Generalneigung um 7 °) Osthang wird das devonische Grundgebirge, hier durch angewitterte bis aufgelockerte Tonschiefer vertreten, von quartären Deckschichten überlagert. Im steilen (Neigung zwischen 20 ° und 35 °), geologisch anspruchsvollen Westhang, wurde der Tonschieferfels durch tiefgreifende Verwitterung, junge tektonische Verformungen sowie entscheidend durch die Folgen fossiler Hangbewegungen tiefgründig beansprucht. Quartäre Deckschichten und Ablagerungen des Rotliegend sind hier ebenfalls aufgeschlossen, jedoch für die Beantwortung der geotechnischen Aufgabenstellungen nicht entscheidend.

Zentrale Aufgabe der beteiligten Planer und Baugrundgutachter war und ist es, die Wechselwirkungen zwischen Bauwerk und Baugrund mit der gebotenen Genauigkeit zu erfassen und schadensträchtige Hangverformungen dauerhaft auszuschließen.

Bild 1: Übersichtslageplan B50n mit Abschnitt IIa Hochmoselbrücke

Bild 2: Visualisierung Bauwerk Hochmoselbrücke mit Pfeilerstandorten

2 Erkundung, Monitoring

Im Zuge der ersten projektbezogenen Erkundungsphase (1999/2000) des Bauwerks wurden 14 Kernbohrungen im Inlinerverfahren orientiert bis in 60,0 m Tiefe abgeteuft. Zusätzlich geben 33 Sondierungen an den Pfeiler- und Widerlagerstandorten Hinweise auf die Baugrundsituation. Neben den durchgeführten Kamerabefahrungen und Bohrlochaufweitungsversuchen wurden u. a. 50 Felskerne sowie 25 Inlinerstrecken als gestörte Lockergesteinsproben entnommen und im Baugrundlabor untersucht. 10 Bohrungen wurden bereits in dieser Untersuchungsphase als Inklinometer oder GW-Pegel zur Überwachung eventueller Hangverformungen bzw. der Grundwassersituation ausgebaut (Bild 3).

Die Brückenplanung ist im Bereich des Westhangs als Reaktion auf die Erkundungsergebnisse bereits damals angepasst worden. So entfiel die zunächst geplante Aufschüttung von Aushubmassen im Bereich der Verebnungsfläche des Widerlagers (jetzt Pfeiler 1). Zudem sind bautechnische Vorkehrungen zur schadlosen Aufnahme begrenzter Setzungen der Pfeiler im Brückenbauwerk/Auflager berücksichtigt worden.

In weiteren Erkundungskampagnen wurden im Westhang bis 2015 weitere 18 Kernbohrungen bis in 90,0 m Tiefe hergestellt und als Grundwassermessstellen oder Inklinometer ausgerüstet. 3 Messstellen sind mit Inklinometermessketten ausgestattet, die an den Server des Hangmonitorings angeschlossen sind.

Den Anforderungen der Regelwerke und den Hinweisen aus den Baugrunduntersuchungen folgend, wurde die Beobachtungsmethode als wichtiger Bestandteil der fortlaufenden Überwachung von Anfang an eingesetzt und im Baufortschritt ergänzt. Die zentralen Bestandteile der Hangüberwachung sind fernablesbar und verfügen über eine automatisierte Datenübermittlung. Nach Erreichen von definierten Schwellenwerten tritt der aufgestellte Alarmplan mit abgestuften Handlungsanweisungen in Kraft. Neben den klassischen und besonders zuverlässigen geodätischen Messungen im Hang und am Baugrubenverbau, kommen die o. g. Inklinometermessketten, 5fach Stangenextensometer bis 100 m Länge im Baugrubenverbau Pfeiler 2 und 3 sowie mehr als 40 Ankerkraftmessdosen (Verbaubereich) zum Einsatz. Ergänzend werden Daten zur Niederschlagshöhe/Temperatur sowie Moselwasserstand in eigenen Messstellen ermittelt.

Die Messungen werden auch nach Abschluss der Arbeiten an der Hochmoselbrücke fortgesetzt.

Bild 3: Monitoringeinrichtungen und Bohrungen Pfeiler 2

3 Geologische Situation

3.1 Osthang (Hunsrückseite)

Im geologisch weitgehend homogenen Osthang geht das angewitterte devonische Grundgebirge in eine gleichmäßig geringmächtige (ca. 5,0 m) Felsauflockerungszone über. Darüber folgen quartäre Deckschichten mit einer Mächtigkeit von bis zu 13,0 m. Hierbei handelt es sich um Hangschutt und Hanglehm sowie fluviatile Terrassensedimente (Lehm und Kies). In den Bohrungen konnte Tonschieferzersatz (,,Mylonit") lediglich untergeordnet und in einer maximalen Mächtigkeit von 2,0 m festgestellt werden. Grundwasser wurde in Höhe von Achse 10 bei ca. 23,0 m unter Gelände gemessen.

2.2 Westhang (Eifelseite)

Das Liegende des Steilhangs wird von devonischen Tonschiefern des Grundgebirges gebildet. Oberhalb einer Zone mit kompaktem Tonschiefer wechseln stark verwitterte und entfestigte Bereiche mit geringer verwittertem Tonschiefer. Überlagert wird diese Tonschiefer-Verwitterungszone von quartären Hangschutt- und Hanglehmablagerungen (Bild 4). Innerhalb des aufgelockerten Felsverbands sind Blöcke mit erkundeten Kantenlängen von 12,0 m eingebettet. Messungen der Raumlage der Schichtfugen im Tonschieferfels haben ein uneinheitliches Bild ergeben; für Teilbereiche ist ein im Mittel südwestliches Einfallen (etwa 210 °) belegt. Angesichts des in ungestörter Lagerung erwarteten Einfallens nach NW bzw. SE (entsprechend der SW-NE verlaufenden Hauptrichtung der Faltenachsen im Rheinischen Schiefergebirge), lässt sich eine Rotation der Blöcke ableiten.

Somit wurden die Hinweise aus den Vorgutachten/Trassengutachten, dass im Westhang Anzeichen geologisch älterer Hangverformungen vorliegen, bestätigt. Aus geotechnischer Sicht war zu klären, welche Baugrundbereiche betroffen sind und ob derzeit Verformungen andauern oder reaktiviert werden können.

Bild 4: Geologische Situation Pfeiler 3

Die Ursache der fossilen Hangverformungen liegt in dem schnellen, eiszeitlichen Einschneiden der Mosel in den Tonschieferfels. Die Talflanken im Prallhangbereich wurden zusätzlich durch den fortlaufenden Abtrag des Hangfußes geschwächt. Die letztlich durch die felsmechanischen Materialreserven des Tonschiefers geprägten Widerstände im Hang wurden schnell überwunden. Es entwickelten sich tiefgreifende Rutschungen mit Auflösung des Gebirges in einen kantengestützten Blockverband. Durch den Wechsel von Abtrags- und Sedimentationsphasen konnten diese Rutschungen nach Ruhephasen reaktiviert oder überprägt werden. Nach dem Abklingen der schnellen Reliefprägung stellt sich durch Abflachung und Verzahnung/Einregelung von Felsbruchstücken ein Gleichgewichtszustand ein, der nicht den Anforderungen an ein DIN-gemäße Standsicherheit genügt. Großräumig werden im Baufeld keine Hangverformungen gemessen; an der Hangoberfläche, den Verkehrswegen sowie an teilweise historischen Bauwerken (Stützmauern) sind keine Anzeichen von Hangbewegungen festzustellen. In zwei randlich (Nördlich) zwischen Pfeiler 2 und 3 angeordneten Inklinometerketten werden talwärtige Verformungen in einer gemittelten Größenordnung von etwa 0,6 mm/a in 22,0 m unter Geländeoberkante gemessen (Bild 5).

Bild 5: Geologischer Schnitt Bereich Pfeiler 2

Hervorzuheben ist, dass der Tonschiefer bis in Tiefen von mehr als 30,0 m lokal auch vollständig zu Lockergestein entfestigt (Tonschieferzersatz/"Mylonit") angetroffen wurde (Bild 6). Dabei sind Mylonitzonen von 5,0 m Mächtigkeit belegt. Dieses Material entspricht nach Korngrößenverteilung und Eigenschaften dem Hangschutt. Untergeordnet und in geringer Mächtigkeit von einigen Zentimetern, treten im Tonschiefer auch weichere, tonige Zwischenlagen auf. Hinweise auf Hangbewegungen (Harnische, Striemung) wurden in diesen Lagen nicht gefunden.

Nach den Kernbohrungen wechseln die beschriebene geologische Situation kleinräumig. So weichen die Schichtenverzeichnisse von horizontal 8,0 m entfernten Bohrungen deutlich voneinander ab.

Der Übergang zu einem ,,ungestörten" Tonschiefer, welcher als weitgehend kompakter Fels beschrieben werden kann, liegt in Tiefen zwischen 70,0 und 80,0 m unter Geländeoberkante. Anzumerken ist, dass auch in diesen Gesteinsschichten die tektonische Beanspruchung in Form von Bruchzonen oder Störungen belegt ist.

Die lokale Grundwasseroberfläche wurde im Zuge der ersten Erkundungsphasen mit 20,0 bis 25,0 m unter Gelände ermittelt und dann 2014 durch eine hydrogeologische Modellierung präzisiert. Danach liegen, entsprechend den wechselhaften Baugrundsituationen, kleinräumige Bereiche mit ,,schwebenden" GW-Stockwerken sowie ein wechselndes Gefälle im GWHauptstockwerk vor (Bereich Pfeiler 2, Bild 5).

Bild 6: Ausschnitt Bohrprofil Bohrung 4/15

3 Gründung

3.1 Osthang (Hunsrückseite)

Entsprechend der günstigen morphologischen und geologischen Verhältnisse der flachen Talflanke konnte hier auf aufwändige Baugrubenverbauten verzichtet werden. Das Widerlager Hunsrück (Achse 50) wurde flach im Tonschieferfels gegründet. Die folgenden Pfeiler 10 bis 4 (Mosel) sind auf Großbohrpfählen gegründet. Eine Übersicht gibt die folgende Aufstellung.

Achse 4: 10 Pfähle, D = 200 cm, L = 15,50 m

Achse 5: 10 Pfähle, D = 200 cm, L = 12,00 m

Achse 6: 10 Pfähle, D = 200 cm, L = 10,00 m

Achse 7: 10 Pfähle, D = 180 cm, L = 21,00 m

Achse 8: 8 Pfähle, D = 180 cm, L = 9,50 m

Achse 9: 8 Pfähle, D = 180 cm, L = 9,00 m

Achse 10: 8 Pfähle, D = 180 cm, L = 8,00 m

Achse 50: Flachgründung

Die Gründungsarbeiten sind abgeschlossen, sämtliche Pfeiler sowie das Widerlager bereits fertiggestellt bzw. im Bau.

3.2 Westhang (Eifelseite)

Als Folge der Hanggeometrie waren zur Herstellung der Baugruben/Gründungsebenen der Pfeiler 2 und 3 umfangreiche Baugrubenverbauten herzustellen. Diese Stützkonstruktionen sind jeweils mit korrosionsgeschützten Dauernägeln bzw. Dauerankern (Litzenanker) sowie jeweils 2 Extensometern zur Hangüberwachung ausgestattet . Bei der Herstellung sind keine besonderen Schwierigkeiten aufgetreten; der Verbrauch an Injektionsgut war entsprechend den beschriebenen Gebirgsverhältnissen lokal stark wechselhaft.

Grundlage der bautechnischen Konzeption der Verbaumaßnahmen ist die konstruktive Trennung dieser Bauwerke von der Pfahlkopfplatte bzw. der Pfeiler. Dadurch wirken sich Horizontalkräfte einer potenziellen Hangverformung nicht unmittelbar auf die Bauteile der Gründung aus. In die Brückenkonstruktion (Auflagerbereiche) sind zusätzlich technische Vorkehrungen integriert, die eine Nachjustierung im Dezimeterbereich ermöglichen.

Hergestellt wurden Nagelwände in Spritzbetonbauweise in Kombination mit aufgelösten (Pfeiler 2, mit Spritzbetonausfachung, Bild 7) oder überschnittenen Bohrpfahlwänden (Pfeiler 3). Die Baugrube Pfeiler 3 ist als geschlossener, zusätzlich ausgesteifter und rückverankerter Bohrpfahlkasten ausgebildet (Bilder 8, 9 und 10).

Die Gründung wird in bewährter Bauweise auf Pfählen durchgeführt.

Widerlager Achse 0: 5 Pfähle, D = 180 cm, L = 23,50 m (vordere Reihe)

Widerlager Achse 0: 10 Pfähle, D = 180 cm, L = 20,50 m (hintere Reihe)

Achse 1: 8 Pfähle, D = 180 cm, L = 24,20 m

Achse 2: 10 Pfähle, D = 180 cm, L = 41,30 m

Achse 3: 12 Pfähle, D = 180 cm, L = 47,10 m

Bild 7: Gründung Pfeiler 2 (Lageplan)

Bild 8: Gründung Pfeiler 3 (Lageplan)

Bild 9: Gründung Pfeiler 3 (Schnitt)

Bild 10: Baugrube Pfeiler 3, Draufsicht

4 Standsicherheitsnachweise

Die rechnerischen Standsicherheitsnachweise basieren auf folgendem Baugrundmodell (vom Hangenden zum Liegenden): ­

– Hanglehm/Hangschutt (Tonschieferbruchstücke in schluffig-sandiger-kiesiger Matrix) ­

– Tonschiefer, verwittert und zu Kies mit tonigen, schluffigen und sandigen Anteilen zersetzt ­

– Tonschiefer, zersetzt, durch tekt. Verformung beansprucht (Schwächezone ,,Mylonit")

– ­ Tonschiefer, verwittert, (schwacher Felsverband, kompakte Fragmente, teils zerbrochen) ­

– Tonschiefer, z. T. verwittert, gering beansprucht, überwiegend im Felsverband ­

– Tonschiefer, hart, ungestört.

Die boden- und felsmechanischen Parameter wurden hauptsächlich mittels Rahmenscherversuchen (30 cm x 30 cm) und Triaxialversuchen an Proben aus den hierfür geeigneten Bodenarten ermittelt. Aus zahlreichen Versuchen in verschiedenen Baugrundlaboren liegt eine belastbare Datenbasis vor. Als charakteristische Kennwerte wird als Minimalkenngröße für mögliche Bewegungsfugen ein Reibungswinkel φ´ von 22 °und einer Kohäsion c´ von 7 kN/m² eingesetzt. Als gewichtetes Mittel kann für den verwitterten Tonschiefer ein Wertepaar von φ´ 28,4 ° Reibungswinkel bei einer Kohäsion von c´ 31,1 kN/m² angegeben werden (Wichte γ/γa 22/11 kN/m³).

Ausgehend von der oben beschriebenen Baugrundsituation wird zwischen Standsicherheitsberechnungen für die tiefen Gleitfugen (> 22,0 m u. GOK) und die flache Bewegungsfuge in T = 22,0 m zwischen Pfeiler 2 und 3 unterschieden.

Dabei erreichen die ungünstigsten tiefen Fugen bei Berücksichtigung einer GW-Absenkung DIN-gemäße Standsicherheiten (nach EC7 1,00/ bzw. nach DIN 4084 > 1,25). Für die in einem lokalen Hangbereich (zwischen Pfeiler 2 und 3) gemessene Bewegungsfuge bei 22,0 m unter Geländeoberkante kann ohne konstruktive Gegenmaßnahmen im Endzustand keine DIN-konforme Standsicherheit errechnet werden. Hier sind nach den Vorgaben der Regelwerke Gegenmaßnahmen in Form von rückverankerten Dübelschächten vorgesehen. Damit lassen sich normativ ausreichende Standsicherheitsreserven nachweisen.

5 Fazit

Die Hochmoselbrücke im Zuge der B 50n ist durch die konstruktiven Herausforderungen des Bauwerks sowie des Baugrunds als anspruchsvolle Ingenieurleistung einzustufen. Aufgabe der langjährigen geotechnischen Projektbegleitung war und ist es, die Baugrundsituation umfassend unter Einbeziehung aktueller Informationen zu beurteilen und fortzuschreiben. Dabei steht die langfristige Stabilität und Sicherheit von Bauwerk und Baugrund an erster Stelle. Die teilweise kontroversen Diskussionen wurden von den Projektbeteiligten aufgegriffen und im Sinne einer weiteren Optimierung des Kenntnisstandes in zusätzliche Erkundungen oder Berechnungen umgesetzt. Die laufende Baumaßnahme belegt, dass die vorgefundene geologische und geotechnische Situation den Prognosen der Sachverständigen des Auftraggebers entspricht.