FGSV-Nr. FGSV C 11
Ort Münster
Datum 09.03.2010
Titel Lückenschluss der BAB A 96
Autoren Dipl.-Ing. Reiner Schmidt
Kategorien Erd- und Grundbau
Einleitung

Als letzte Maßnahme der BAB A 96 München – Lindau wurde zwischen Leutkirch und Wangen der 7 km lange Bauabschnitt Gebrazhofen – Dürren ausgeführt. Die besonders schwierigen geologischen und hydrogeologischen Verhältnisse, die Lagegleichheit der B 18 bei laufendem Verkehr und die tiefe Lage der Gradiente und der Hauptentwässerungsleitung machten ihn zum schwierigsten Abschnitt der insgesamt 48 km langen Teilstrecke auf baden-württembergischem Gebiet. Nach Erläuterung der geologischen Situation und des Baukonzeptes werden die besonderen Maßnahmen des Erdbaus und des Spezialtiefbaus beschrieben.

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1 Einleitung

Nach 40 Jahren Planung und 32 Jahre nach Baubeginn wurde im November 2009 der Bau der BAB A 96 München – Lindau vollendet. Im deutschen Autobahnnetz ist damit die Lücke in der südlichsten Ost-West-Verbindung (Rosenheim-Lindau) geschlossen, und gleichzeitig zusammen mit der BAB A 7 die Nord-Süd-Achse zwischen Skandinavien und Österreich mit Anschluss an die Schweiz und Italien hergestellt. Folgende Randbedingungen waren für Planung und Bauausführung maßgebend:

  • Der Verkehr auf der über weite Strecken lagegleichen B 18 – einschließlich Anschlussstelle – musste in allen Bauphasen aufrecht erhalten werden.
  • Im mittleren Abschnitt machte die tiefliegende Gradiente innerhalb einer Wanne eine Grundwasserabsenkung erforderlich.
  • Aufgrund der eiszeitlich geprägten Geologie lagen sehr schwierige Bodenverhältnisse mit rasch wechselnder Folge der Sedimente bei ebenso unterschiedlichen Grundwasserverhältnissen vor.
  • Der Abschnitt liegt in der Nähe der europäischen Wasserscheide größtenteils auf einem hügeligen Hochplateau ohne leistungsfähige Vorfluter. Die BAB-Entwässerung muss daher über die gesamte Strecke bis zur Einleitung in die „Untere Argen“ mitgeführt werden, was eine zum Teil sehr tiefe Lage der Hauptentwässerungsleitung bedingt. Über zwei Teilstrecken von insgesamt 2,5 km Länge wurde diese Leitung daher als Mikrotunnel-Rohrvortrieb ausgeführt.

2 Geologie

Der Untergrund des Bauabschnittes ist eiszeitlicher Herkunft: Der Gletscher des Alpenrheins dehnte sich in der Würmeiszeit vor ca. 23.000 Jahren bis Leutkirch aus. Vor ca. 17.500 Jahren stagnierte das Abschmelzen vorübergehend und es lagerte sich zwischen Leutkirch und Wangen eine Zwischenendmoräne als sogenannte Jungendmoräne ab. Wie vor der Endmoräne bei Leutkirch bildeten die ablaufenden Schmelzwässer quer zur Eisstromrichtung und auch quer zur BAB-Trasse ausgeprägte Kiesrinnen. Von Nord nach Süd lässt sich der Bauabschnitt geologisch in vier Abschnitte gliedern:

  • der Bereich der Grundmoräne bis zu der Schmelzwasserrinne bei der Anschlussstelle Kißlegg,
  • die Schmelzwasserrinne,
  • die Jungendmoräne bei Hilpertshofen,
  • die nacheiszeitliche Flussniederung der Unteren Argen.

Bild 1: Der Bodensee-Vorlandgletscher vor ca. 17.500 Jahren im Bereich der BAB A 96

Bild 2: Anschlussstelle Kißlegg und Einschnitt Hilpertshofen

3 Baukonzept

Die B 18 wurde durch die A 96 über weite Strecken in gleicher Lage ersetzt. Die Bauausführung erfolgte somit unter Verkehr, was besondere Bau- und Verkehrslenkungsmaßnahmen erforderlich machte. Um die Richtungsfahrbahn Lindau zu bauen und in Betrieb zu nehmen, wurde zunächst in den Überdeckungsbereichen mit der BAB die B 18 mit 6 Provisorien verlegt. Anschließend erfolgte der Rückbau der B 18, Abbruch von 13 Brücken und die Erstellung der Richtungsfahrbahn München.

Wegen der tiefen Lage musste die Hauptentwässerungsleitung der BAB in 2 Abschnitten über insgesamt 2,5 km mittels Mikrotunnel-Rohrvortrieb erstellt werden. Erst danach konnte im Bereich der Anschlussstelle das Grundwasser unter das Straßenniveau gesenkt werden. Weiterhin musste möglichst rasch mit der Entwässerungsleitung eine Verbindung von der Unteren Argen am Bauabschnittsende bis zur Grünbrücke bei Gebrazhofen hergestellt werden, um das sich hier befindliche und bis zum Zeitpunkt der Rohrverbindung erforderliche vorläufige Rückhaltebecken für den Bau der Grünbrücke außer Betrieb nehmen zu können.

4 Besondere Maßnahmen des Erd- und Spezialtiefbaus

Bild 3: Der Mittelabschnitt mit den besonderen Baumaßnahmen

4.1 Dammgründung Dürren

Am südlichen Bauabschnittsende liegt die Autobahn im Talgrund der „Unteren Argen“ zunächst geländegleich und steigt dann auf einem 4 bis 6 m hohen Damm in Richtung der „Norden“ an. Ein am Beginn der Steigungsstrecke beim Bau der B 18 anfang der 1960er Jahre eingetretener Dammbruch mahnte hier zu besonderer Vorsicht.

Im Untergrund standen weiche sandige und kiesige Schluffe sowie stark organische feinkörnige Böden mit weicher, teils breiiger Konsistenz an. Aus Rammsondierungen ergab sich ein tragfähiger Untergrund in den Talkiesen erst in einer Tiefe zwischen 6 bis 8 m, an einzelnen Stellen bis 10 m. Für das Grundwasser musste von einem Spiegel bis zur Geländeoberkante ausgegangen werden. Die Dammgründung erfolgte mit Rüttelstopfsäulen. Mit einem Abstand der Säulen von 2,0 bis 3,2 m entstand ein Raster mit ca. 1.600 Rüttelsäulen.

Bild 4: Dammquerschnitt Dürren

Zuvor war die Dammaufstandsfläche ohne Oberbodenabtrag mit einem Geotextil abgedeckt und eine 1 m dicke Ausgleichsschicht bzw. Arbeitsebene aus einem schluffigen Kies-Sand hergestellt worden.

Im Hinterfüllbereich eines Brückenbauwerkes wurden die Rüttelsäulen in Beton ausgeführt.

Bild 5: Raster der Rüttelstopfverdichtung

4.2 Mikrotunnel-Rohrvortrieb

4.2.1 Planung

Die Entwässerung der BAB A 96 erfolgt über den gesamten Abschnitt in Richtung Süden mit der „Unteren Argen“ als Vorfluter am südlichen Bauabschnittsende. Hierzu war eine Hauptentwässerungsleitung mit konstanter Gefällerichtung und damit zunehmender Tiefe unabhängig vom Höhenverlauf der Autobahn und der hügeligen Geländeoberfläche anzulegen.

Nach Querung der Schmelzwasserrinnen im Bereich der Anschlussstelle liegen die Straße und die Hauptentwässerungsleitung in einer Zwischenendmoräne mit verzahnten glazialen Sedimenten und Druckwasserbereichen. Die Tiefe des Einschnitts beträgt bis zu 12 m, wobei die Hauptentwässerungsleitung noch einmal bis zu 9 m tiefer unter der Straße verläuft.

Hinsichtlich der Disposition war zu beachten, dass vorab der Einschnitt im unteren Teil wegen der dort anstehender teils weichen bis breiigen Schluffe abschnittsweise mit Spezialverfahren und einem daraus resultierenden Zeitrisiko ausgeführt werden konnte.

Gleichzeitig war die Herstellung der Hauptentwässerungsleitung mit Übernahme des Straßenwassers aus der sich nördlich anschließenden Betriebsstrecke für die Fertigstellung des gesamten Bauabschnittes zeitlich maßgebend.

Als Ergebnis der baureifen Planung wurde von einer konventionellen Ausführung mit offenem Leitungsgraben abgesehen und ein Rohrvortrieb konzipiert.

Der Rohrvortrieb machte eine Umplanung der Hauptentwässerungsleitung hinsichtlich Lage, Tiefe und Schachtanordnung notwendig. Weiterhin waren ergänzende geologische Untersuchungen auf der Vortriebsstrecke zu tätigen und in der Planung zu berücksichtigen. Der hydraulisch erforderliche Rohrdurchmesser von 1.100/1.200 mm wurde auf 1.600 mm vergrößert, da der Rohrstrang begehbar sein musste.

Tabelle 1: Daten des Mikrotunnel-Rohrvortriebs

Bild 6: Tunnelbohrmaschine vor der Ausfahrschleuse

4.2.2 Besonderheiten der Ausführung

Die Anwendbarkeit des Mikrotunnel-Rohrvortriebs ist zum einen begrenzt durch große Steinblöcke, die nicht voll getroffen und durchbohrt werden, sondern in exzentrischer Lage die Tunnelbohrmaschine aus der Vortriebsrichtung bringen können.

Zum anderen ist ein Rohrvortrieb in Böden mit breiiger bis flüssiger Konsistenz nicht mehr steuerbar.

Eine besondere Schwierigkeit entsteht noch dadurch, dass das Bohrgut hydraulisch gefördert wird und streckenweise höchst wasserempfindliche Schuffe zu durchfahren waren. Für die Einhaltung der zulässigen Druckkräfte ist die gegenseitige Verwinkelung der Rohre maßgebend, da hier überproportionale Drücke entstehen, die zu Abplatzungen an den Rohraußenwänden führen können.

Zur Überwachung und Steuerung der Vortriebskräfte wurden daher in bestimmten Rohrfugen je 4 Weg-Sensoren zur Messung der Spaltbreiten installiert. Mittels Online-Übertragung konnte ein beauftragtes Büro die Abwinkelung und gegebenenfalls erforderliche Reduzierung der Druckkräfte berechnen. Die Druckverhältnisse und die ebenfalls zu berechnenden Richtungsabweichungen standen durch Einstellung ins Internet jederzeit den ausführenden Firmen und der Projektleitung zur Verfügung.

Bild 7: Rohre mit Doppelmessfuge und Druckübertragungsring

Bild 8: Diskretisierter Druckübertragungsring mit Spannungsverteilung bei Rohrabwinkelung

Für den Fall einer Havarie waren im Bauvertrag Positionen für die Beseitigung von Findlingen und auch für die Bergung einer Tunnelbohrmaschine enthalten.

Die fünf Rohrhaltungen wurden mit zwei Maschinen aufgefahren. Kollisionen mit Findlingsblöcken fanden merkbar nicht statt.

Beim Vortrieb von Schacht C nach Schacht D ließ sich nach einer Richtungsabweichung die Maschine nicht mehr in Solllage bringen. Mit überhöhten Drücken musste sie in eine Position außerhalb eines Straßendammes gebracht werden, von wo eine Bergung möglich war. Wegen der überhöhten Druckkräfte musste von beschädigten Rohren ausgegangen werden, infolgedessen der ca. 196 m lange Rohrstrang aufgegeben wurde, und in einem zweiten Vortrieb die Havariestelle S-förmig umfahren wurde.

Die zweite in der Haltung E-D eingesetzte Tunnelbohrmaschine sackte während eines Stillstands, der für eine Kontrollvermessung erforderlich war, mehrere Zentimeter ab. Auch hier wurde ein Bergeschacht (ca. 15 m tief) abgeteuft und die Maschine geborgen. Nach Einbau der Vorpressanlage in den Bergeschacht konnte der Vortrieb von hier fortgesetzt werden. Beim zweiten Vortrieb der 644 m langen Haltung C-D verlagerte sich der Rohrstrang im Laufe des Vortriebs auf den ersten 200 m nach dem Startschacht seitlich um ca. 90 cm und in der Höhe um 15 cm. Das Bild 9 zeigt geodätische Höhenaufnahmen jeweils des gesamten Rohrstrangs im Fortschritt des Vortriebs. Es ist zu erkennen, dass die Tunnelbohrmaschine in der Regel mit einer Abweichung von 1 bis 2 cm und damit mit äußerster Präzision gefahren wurde. Die sich dann einstellende extreme Varianz des Rohrstrangs wurde bisher bei Rohrvortrieben noch nicht registriert. Nach den Havarien waren die Maschinen zwecks größerer Längssteifigkeit mit angeflanschten Stahlelementen (Nachlaufrohr) verlängert worden, was wesentlich mit zum Gelingen dieses Vortriebs beitrug.

Es ist im vorliegenden Fall sehr geringe Bodenkonsistenz festzustellen, dass für den Rohrstrang als Druck-Gliederkette der Stabilitätsfall aufgrund der irreversiblen Auslenkungen maßgebend wurde. Die sich bis zum Ende des Vortriebs bei 644 m einstellende Höhenabweichung und das damit verbundenen Gegengefälle waren wegen der verfahrensbedingten Überdimensionierung des Rohrdurchmessers unschädlich. Bei einer noch längeren Vortriebsstrecke hätte der Vortrieb abgebrochen und im Bergeschacht neu gestartet werden müssen.

Bild 9: Geodätische Aufnahmen des Rohrstranges im Laufe des Vortriebs

Bild 10: Aufzeichnung der Pressenkräfte

Die Schwierigkeit des Vortriebs C-D spiegelt sich auch in der Aufzeichnung der Druckkräfte im Bild 10 wider. Die Zunahme der Mantelreibung erforderte nach ungefähr 180 m Vortrieb den Einsatz der Dehner. Diese fuhren jeweils wie die Hauptpresse abwechselnd bis an die zulässige Druckkraft für die Rohre (6.000 KN). Im Bereich der großen Auslenkungen nach dem Startschacht war der zulässige Druck auf ca. 5.000 KN wegen der Rohrabwinkelungen reduziert.

4.3 Einschnitt Hilpertshofen

Beim Abstieg in das Argental (Bild 3) schneidet die Autobahn bis zu 12 m in die Sedimente der Jungendmoräne mit extrem wechselnder Schichtenfolge in verschiedenster Ausdehnung und Mächtigkeit ein. Die darin enthaltenen Sande und Kiese sind stark wasserführend und bilden mehrere zum Teil verbundene Grundwasserhorizonte.

In den unteren 4 bis 6 m wurden fließende Bodenarten festgestellt, die bei der Regelböschung von 1:1,5 nicht standsicher sind. Die anstehenden Tone und Schluffe weisen eine derart geringe Plastizität auf, dass die Konsistenzgrenzen vielfach nicht bestimmt werden konnten.

Hinsichtlich der noch festzulegenden Bauausführung schied eine Abflachung der Böschung aus verfahrensrechtlichen und technischen Gründen aus.

Zur weiteren Erkundung des Baugrunds und Erarbeitung des Ausführungskonzeptes fuhr man das Profil zunächst nur bis ungefähr auf Bermenhöhe auf. Von hier wurden Drucksondierungen in drei Achsen über die gesamte Einschnittslänge ausgeführt, deren Ergebnisse den erdstatischen Berechnungen und dem Ausführungskonzeptionen zugrunde gelegt werden konnten. Zur dauerhaften Standsicherheit von Böschung und Auftriebssicherheit der Sohle, sowie zur Entwässerung der Böden wurden folgende Maßnahmen vorgesehen:

  • Hangverdübelung mit Ortbetonpfählen,
  • gefrästeTiefdränagen und Vakuumdränagen,
  • Sandpfähle im Fahrbahnbereich.

Bild 11: Einschnitt Hilpertshofen

Die Entwässerung der Böden erwies sich als nur bedingt erfolgreich. Die anstehenden Schluffe neigten bei Wasserzutritt zum Ausfließen der Böschung, wobei sich ausgedehnte Ablagerungsfächer bis in den späteren Fahrbahnbereich einstellten. Vor den Großbohrpfählen wurden daher Böschungssicherungen aus gebrochenem Felsmaterial mit hinterlegtem Geotextil eingebaut.

Bild 12: Erosionsrinnen im Schluff                         

Bild 13: Einfräsen der Tiefdränagen

Bild 14: Einbau von gebrochenem Felsmaterial am Böschungsfuß

5 Grundwasserabsenkung

5.1 Konzeption

Im Bereich der Anschlussstelle Kißlegg führt die BAB A 96 in ca. 120 m Entfernung an einer Ortschaft vorbei. Aufgrund von Forderungen der Gemeinde und den Anliegern wurde die Gradiente in diesem Bereich im Planfeststellungsverfahren mehrfach abgesenkt.

Hieraus entstand eine Wannenlage, bei der in den querenden Schmelzwasserrinnen der Grundwasserspiegel nach Pegelbeobachtungen und Berechnungen 1 bis maximal 2 m über der Straße liegt. Eine Gradientenanhebung war aus genehmigungsrechtlichen Gründen nicht möglich. In Betracht kamen die Ausführung einer Wanne oder eines Trogbauwerkes, sowie alternativ eine Grundwasserabsenkung. Sowohl die Ausführung einer Wanne als auch die Errichtung eines Troges hätten im Bereich der Anschlussstelle bei Berücksichtigung der Rampen und einer den Trog bzw. die Wanne durchstoßenden Tiefgründung des Brückenbauwerks zu erheblichen Problemen geführt. Weiterhin wären umfassende Maßnahmen zur Auftriebssicherung erforderlich gewesen.

Auch unter Berücksichtigung des künftigen Kontroll- und Wartungsaufwandes für die Sickeranlagen entschied man sich für die dauerhafte Grundwasserabsenkung.

5.2 Ausführung

Analog dem Vorgehen im Einschnitt Hilpertshofen (Bild 11) wurden von einer Arbeitsebene über dem Grundwasser temporäre Dränagen zur Herstellung der planmäßigen Entwässerungseinrichtungen einschließlich der bleibenden Dränagen eingefräst. Die temporären Dränagen und die bleibenden Entwässerungseinrichtungen wurden über getrennte Schachtgalerien an die Schächte C/C1 (Bild 3) der Hauptentwässerungsleitung angeschlossen.

Bild 15: Bereich der Grundwasserabsenkung mit den Längsstrukturen der eingefrästen Dränagen

Aufgrund der hohen Durchlässigkeit der anstehenden Kiese und dem Einsatz der gefrästen Dränagen war die erforderliche Absenkung in ungefähr drei Wochen erreicht, wobei der übrige Straßenbau sukzessiv folgen konnte.

Zur Verringerung des Versinterungsrisikos wurden die bleibenden Dränagen mit Syphons als geschlossenes System ausgeführt, und Putzstücke eingebaut. Die temporären Dränagen wurden mit Absperrschiebern verschlossen.

Bild 16: Grundwasserabsenkung über seitliche Gräben

6 Zusammenfassung

Im letzten Bauabschnitt der BAB A 96 waren an die Ausführung der Maßnahme besondere Anforderungen gestellt.

Die Baudisposition hatte die fortlaufend anzupassende Verkehrsführung der lagegleichen B 18, die technischen und zeitlichen Risiken einer Grundwasserabsenkung und eines Rohrvortriebs, die Herstellung eines geologisch und hydrogeologisch schwierigen Einschnittes die Notwendigkeit zusätzlicher Baugrunduntersuchungen und Begutachtung, sowie eine vorrangige Anlage der Vorflut zu berücksichtigen.

Beim Mikrotunnel-Rohrvortrieb wurde die Grenze des Anwendungsbereiches des Verfahrens hinsichtlich der Ausführung in Böden geringer Konsistenz erreicht, wobei es keine Alternative zum gewählten Verfahren gab. Dass der Vortrieb zu Ende geführt werden konnte, ist der hohen Qualifikation der ausführenden Firmen zu verdanken.

Im Einschnitt Hilpertshofen bestätigte sich der Schluff als sehr schwierig zu handhabender Boden. Das Ausführungskonzept war umsetzbar, musste aber durch zusätzliche Sicherungen am Böschungsfuß ergänzt werden.

Das Problem der Gradientenlage unterhalb des Grundwasserspiegels im Bereich der Anschlussstelle Kißlegg war nur durch eine dauerhafte Grundwasserabsenkung zu lösen. Für den Unterhalt dieses Streckenteils ist ein Monitoring-Programm aufzustellen.

Trotz der anspruchsvollen Baumaßnahmen konnte der enge Ausführungstermin des Bauabschnittes eingehalten werden.

Während der Baudurchführung und in der Rückschau ergaben sich keine Erkenntnisse für dispositionelle und bautechnische Alternativen.

Literaturverzeichnis

  1. Zentrum Geotechnik (2006): Gutachtliche Stellungnahme zur Gesamtstrecke – Teil 1 (Fassung B), Baugrund- und Grundwasserverhältnisse, München, unveröffentlicht
  2. Zentrum Geotechnik (2006): Gutachtliche Stellungnahme zur Gesamtstrecke – Teil 2, Bautechnische Folgerungen Strecke, München, unveröffentlicht
  3. INKA (2008) : Abschlussbericht Online-Überwachung der Vorpresskraft mit OLC_Online Load Control Abschnitt C nach D neu, Aachen, unveröffentlicht