Neubau der A52 bei Essen/D: Tunnelbautechnische Besonderheiten

1 Einleitung

Durch den in der Vorplanung befindlichen Lückenschluss zwischen dem Autobahndreieck Essen-Ost (A40) und dem Autobahnkreuz Essen-Nord (A42) ergibt sich zusammen mit 3 weiteren geplanten Teilstücken bis zur Anschlussstelle Gelsenkirchen-Buer-West eine neue durchgehende Nord-Süd-Verbindung im zentralen Ruhrgebiet. Gleichzeitig soll der neue Autobahnabschnitt als wichtigste Hauptverkehrsader Essens in Nord-Süd-Richtung zu einer erheblichen Entlastung der innerstädtischen Straßenzüge im Stadtgebiet von Essen führen (B224/L448).

Auf Baukosten von insgesamt 660 Mio. Euro wird das sechsstreifige Autobahnteilstück der A52 vom heutigen Autobahndreieck Essen-Ost bis zur Verknüpfung mit der A42 an der heutigen Anschlussstelle Essen-Nord geschätzt. Die in Relation zu anderen Projekten veranschlagten recht hohen Investitionskosten von rund 93 Mio. Euro pro Kilometer Autobahn tragen damit den besonderen ingenieurtechnischen Herausforderungen eines Tunnelgroßprojektes Rechnung, das unter teils anspruchsvollen geologischen Verhältnissen mitten durch eine dicht besiedelte Großstadt eines Ballungsraumes verläuft.

2 Planung

Das hier beschriebene Autobahnteilstück ist als so genannter „vordringlicher Bedarf“ in den aktuellen Bundesverkehrswegeplan eingestellt. Bereits im heutigen Planungsstadium des Vorentwurfes sind komplexe Zusammenhänge im Zusammenspiel mit der Straßenplanung, den Umweltauswirkungen, dem Immissionsschutz, der Tunnelbautechnik, dem Ingenieurbau, der Betriebstechnik, der Geologie, der Tunnelsicherheit im Havariefall und der späteren Unterhaltung zu berücksichtigen.

Infolge der Baumaßnahme wird zukünftig nicht nur durch die Trasse an sich, sondern insbesondere auch durch die Schaffung von 3 neuen Anschlussstellen in das städtische Umfeld eingegriffen. Dadurch werden auch im umliegenden Verkehrsnetz an zahlreichen Stellen weitere verkehrstechnische Veränderungen notwendig, die sich durch veränderte Verkehrsbeziehungen oder Signalisierungen von Verkehrsknotenpunkten weit in das untergeordnete Netz hinein ziehen können.

Weiterhin spielen gerade in dicht besiedelten Gebieten die Fragestellungen der tunnelbaubedingten Einwirkungen auf bestehende Gebäude in Bezug auf Setzungen, Lärm und Erschütterungen sowie den Betrieb der Tunnels im Normal-, Wartungs- oder Havariefall bereits im frühen Planungsstadium eine große Rolle.

Es ist aus diesen Gründen bereits in diesem Stadium der Planung wichtig, alle betroffenen Fachgruppen in die Planung einzubeziehen, um das Bauprojekt mit einer größtmöglichen Funktionalität, Verkehrs- und Betriebssicherheit, Wirtschaftlichkeit und auch Planungssicherheit umzusetzen.

3 Streckenverlauf

Die Trasse des neuen Streckenabschnitts der A52 beginnt am bestehenden Ausbauende im Autobahndreieck Essen-Ost, welches im Rahmen des Neubaus – zum Teil unterirdisch - zu einem Autobahnkreuz ausgebaut wird. Der zukünftige Tunnel „Frillendorf“ beginnt kurz nach dem bereits bestehenden Tunnel „Huttrop“. Er unterquert im weiteren Verlauf die vorhandene A 40, ein benachbartes Gleisfeld mit insgesamt 8 Bahngleisen, von denen einige auch als Hochgeschwindigkeitstrasse genutzt werden sowie ein Gewerbegebiet in Essen-Frillendorf. In Höhe Frillendorfer Straße geht der Tunnel in eine Troglage über. Es folgt die Anschlussstelle „Gerlingstraße“ (Arbeitstitel) mit Anschlüssen an das untergeordnete Netz.

Nach einer Trassierung in freier Strecke auf einer Länge von rund 700 m folgen der Trog und der Tunnel „Helenenpark“ mit einer voraussichtlichen Länge von 380 m und 1300 m. Kurz hinter dem Tunnel „Helenenpark“ schließt sich der Bereich der Anschlussstelle „Lierfeldstraße“ (Arbeitstitel) an.

Im weiteren Verlauf der Strecke wird der Stadtteil Altenessen ebenfalls durch einen Tunnel unterquert. Die Anschlussstelle in Essen-Vogelheim verbindet unmittelbar hinter dem Tunnel „Altenessen“ mehrere innerstädtische Straßen einschließlich der B224 mit der neuen A52. Sie ist die letzte der innerstädtischen Anschlussstellen, bevor die Trasse auf die vorhandene B224 mit dem Autobahnkreuz Essen-Nord einschleift (Bild 2).

Die insgesamt 7,1 km lange Autobahnstrecke wird etwa zu 2/3 in Tunnel- bzw. Troglage hergestellt. Die übrige Strecke verläuft in der Tieflage.

4 Planerische Umsetzung

Die Abwägung, ob die Trasse der Autobahn als freie Strecke, als Trog oder als Tunnel geführt werden soll, erfolgt insbesondere anhand der Kriterien Wirtschaftlichkeit, Immissionsschutz und Bautechnik.

Wichtigstes Kriterium für die Bewertung der Varianten ist dabei die Wirtschaftlichkeit der jeweiligen Maßnahme. Für die ausgewählten Varianten werden daher die Gesamtkosten der Baumaßnahmen als kapitalisierte Summe der Investitionskosten und der laufenden Kosten (Betriebskosten/Unterhaltungskosten) pro Jahr ermittelt und gegenüber gestellt.

Für das Bewertungskriterium Immissionsschutz ist die lärmtechnische Schutzwirkung der Varianten maßgebend. Die Gesamtsumme der verbleibenden Grenzwertüberschreitungen wird in einer Bewertungsmatrix gegenüber gestellt. Das Kriterium Immissionsschutz ist für die Auswahl der Variante von hoher Bedeutung und steht daher an zweiter Stelle hinter dem Kriterium der Wirtschaftlichkeit.

Bei den untersuchten Varianten haben sich starke Wechselwirkungen zwischen der baulichen Ausbildung der Verkehrsanlage (Trog, Halbgalerie oder Tunnel) und den erforderlichen bzw. anzustrebenden Lärmschutzmaßnahmen für die Bebauung westlich und östlich der A52 ergeben, so dass hier zahlreiche Varianten iterativ untersucht werden mussten, um eine optimierte Lösung zu erhalten.

Beim Kriterium Bautechnik werden die Unterkriterien Bauverfahren (Robustheit der Konstruktion), Baudurchführung/-risiko, Bauzeit und Massenausgleich bewertet und gegenüber gestellt. Dabei ist dem Unterkriterium Bauzeit eine etwas höhere Bedeutung beizumessen als den übrigen Unterkriterien.

Im Folgenden werden die maßgeblichen Tunnelabschnitte beschrieben.

5 Tunnel Frillendorf

Der Tunnel Frillendorf ist der im Teilneubaustück der A52 südlichst gelegene Tunnel. Er schließt fast unmittelbar an den vorhandenen Tunnel Huttrop an. Da das vorhandene Autobahndreieck Essen-Ost zukünftig zu einem Autobahnkreuz ausgebaut werden soll, erhält der Tunnel Frillendorf 2 schlaufenförmig angelegte Rampen, mit denen die Verkehrsbeziehungen Nord-Ost sowie Ost-Nord zwischen der vorhandenen A40 und dem neu herzustellenden Abschnitt der A52 hergestellt werden. Im weiteren Verlauf unterquert der Tunnel die vorhandenen A40, die Frillendorfer Straße sowie 8 Gleise der DB AG.

Der Tunnel Frillendorf wird mit Ausnahme eines rund 400 m langen Abschnittes im Zuge einiger Gebäudeunterfahrungen in offener Bauweise erstellt.

Die Baugrundschichtung stellt sich bei unterschiedlicher Ausprägung der einzelnen Schichten grob wie folgt dar:

- Anschüttung

- Lößlehm

- Terrassensande

- Grünsand (Mergel)

- Mergelstein.

Der Tunnelquerschnitt wird auf den ersten 800 m Länge voraussichtlich überwiegend in den Grünsandschichten liegen und lediglich in dem oberen Bereich in die Terrassensande und die darüber liegenden Bodenschichten einbinden. Im anschließenden Bereich wird der Tunnel/Trog auf einer Länge von 450 m vornehmlich in Grünsand- und Mergelsteinschichten liegen. In geländeoberflächennahen Auffahrbereichen liegen die Tunnel-/Trogbauwerke im Übergangsbereich zwischen dem Grünsand und den darüber lagernden Lößlehmen und Terrassensanden.

Der gesamte Bereich ist von sehr hoch anstehendem Grundwasser mit hohen Fließgeschwindigkeiten geprägt. Innerhalb der offenen Bauweise muss das anstehende Grundwasser über Sohldrainagen sowie über Entspannungsbrunnen unterhalb der Bauwerkssohle gefasst und abgeführt werden. Zur Aufrechterhaltung der quer zum Bauwerk verlaufenden Grundwasserströmung sind zusätzlich zu dem Sohlfilter auch Wandfilter vorzusehen. Damit entsteht um das Bauwerk herum eine kommunizierende Röhre. Zur Vermeidung einer weiteren Verstärkung der Strömung infolge des Längsgefälles des Bauwerks werden in regelmäßigen Abständen in Längsrichtung Querschotte in den Kiesfiltern der Wände und Sohlen vorgesehen.

Innerhalb der geschlossenen Bauweise wird über eine vorauseilende Wasserhaltung das schadlose Abführen des anstehenden Grundwassers gewährleistet. Bei Bedarf wird diese örtlich durch zusätzliche Maßnahmen im Rahmen des bergmännischen Vortriebs unterstützt.

Der Tunnelquerschnitt wird innerhalb der offenen Bauweise als zweizelliger Rahmen mit geschlossener Sohle hergestellt. Aufgrund der durch den rund 400 m langen Abschnitt in geschlossener Bauweise notwendigen Spreizung der Tunnelröhren wird die offene Bauweise im Übergang zur geschlossenen Bauweise mit 2 einzelligen gespreizten Rahmen ausgeführt. Als Regelquerschnitt kommt im Bereich der Tunnel bzw. Tröge ein RQ36t zur Ausführung, der je Richtungsfahrbahn 3 Fahrstreifen und einen 0,25 m breiten Randstreifen, jedoch keinen Standstreifen beinhaltet. Die Rampentunnel erhalten einen einstreifigen Querschnitt mit 7,00 m Fahrbahnbreite sowie 1,00 m breiten Notgehwegen auf beiden Seiten.

Die Bauwerkskonstruktion der offenen Bauweise wird maßgeblich durch die Grundwasserverhältnisse und die damit verbundene Auftriebssicherheit sowie durch die Topografie bestimmt. Die Konstruktion der Bauwerke der geschlossenen Bauweise leitet sich aus den geologischen bzw. hydrogeologischen Verhältnissen sowie der jeweils vorhandenen Überdeckung zu den zu unterfahrenden Gebäuden ab.

Aufgrund des wenig standfesten Baugrundes wird der Tunnelquerschnitt innerhalb der geschlossenen Bauweise als aufgelöster Querschnitt aufgefahren. Dabei werden zunächst die beiden Ulmenstollen - die wiederum in First- und Sohlausbruch getrennt werden - auf voller Länge aufgefahren. Über diese wird auch eine vorauseilende Entwässerung erfolgen. Im Anschluss daran erfolgt der Kalottenausbruch zwischen den Ulmenstollen, der aufgrund der geringen Festigkeiten des Bodens im Firstbereich eine Rohrschirmsicherung erhält. Nach Fertigstellung des Kalottenvortriebs kann der endgültige Ausbruchquerschnitt bis zur Sohle hergestellt werden. Zur Vermeidung bzw. Reduzierung von Setzungen auf ein unvermeidbares Maß werden unter den direkt zu unterfahrenden Gebäuden Kompensationsinjektions-Schirme (KI-Schirme) zwischen den Bauwerksfundamenten und den Vortriebsfirsten ausgeführt.

6 Tunnel Helenenpark

Der Tunnel Helenenpark ist der mittlere Tunnel in dem Autobahnneubauabschnitt zwischen dem Autobahndreieck Essen-Ost und dem Autobahnkreuz Essen-Nord.

Der Baugrund ist in diesem Bereich gekennzeichnet durch zum Teil tiefreichende Auffüllungen, die von sandigen und feinsandigen Schluffen mit zum Teil organischen und humosen Beimengungen unterlagert werden. Auf einer Länge von fast 200 m durchzieht eine bis zu 1,5 m mächtige Schlammschicht die Schluffschichten. Unterhalb der sandigen Schluffschichten stehen sandige und tonige, bereichsweise auch grünsandige Schluffe an. Diese werden von Mergel mit teilweise festen und gesteinsharten Stücken unterlagert.

Die hydrogeologischen Verhältnisse und die sich daraus ableitenden Maßnahmen zur Wasserhaltung entsprechen denen des Tunnels Frillendorf.

Der Tunnel Helenenpark wird als 1.300 m langer Volltunnel in offener Bauweise geplant, dessen Bauwerkskonstruktion sich maßgeblich durch die Grundwasserverhältnisse und die damit verbundene Auftriebssicherheit sowie durch die Topografie bestimmt.

7 Tunnel Altenessen

Der Tunnel Altenessen ist der im Teilneubaustück der A52 zwischen dem Autobahndreieck Essen-Ost und dem Autobahnkreuz Essen-Nord nördlichst gelegene Tunnel.

Die Baugrundschichtung stellt sich bei unterschiedlicher Ausprägung der einzelnen Schichten grob wie folgt dar:

- Anschüttung

- Auenlehm (Quartär)

- Auensande/Terrassensande (Quartär)

- Verwitterungslehm (Kreide)

- Emschermergel (Kreide).

Die Gründungssohle des Tunnels Altenessen befindet sich zum überwiegenden Teil durchgängig im Mergel, auf einer Länge von ca. 500 m liegt sie oberhalb des Emschermergels.

Die hydrogeologischen Verhältnisse und die sich daraus ableitenden Maßnahmen zur Wasserhaltung entsprechen denen des Tunnels Frillendorf sowie des Tunnels Helenenpark.

Im Verlauf der Tunneltrasse stellen insbesondere die Unterfahrung der Altenessener Straße sowie die Kreuzung der vorhandenen U-Stadtbahn sowohl einen Zwangspunkt als auch eine besondere technische Herausforderung dar. Der Tunnel Altenessen wird in der offenen Bauweise als zweizelliger Rahmen mit geschlossener Sohle hergestellt.

8 Ausblick

Mit einer Länge von rund 7,1 km ist der Abschnitt vom Autobahndreieck Essen-Ost bis zum Autobahnkreuz Essen-Nord der längste und aufwändigste Teilabschnitt des bis zur Anschlussstelle Gelsenkirchen-Buer-West geplanten Lückenschlusses. Der Lückenschluss mit einer Länge von insgesamt 15,4 km soll im Realisierungsfall bis 2023 eine neue durchgehende Nord-Süd-Verbindung im zentralen Ruhrgebiet schaffen und einen DTV₂₄ von bis zu 100.000 Kfz/24h aufnehmen.