Brenner Basistunnel im Bau

1 Allgemeines zum Basistunnel

Der Brenner Basistunnel ist im neuen TEN-Strategieplan (2014 bis 2020) als Teil des Nord-Süd-Korridors Nr. 5 Helsinki – Valletta (Sizilien) vorgesehen. Derzeitig ist der Brenner Basistunnel als prioritäres Teilstück des TEN-Bahnkorridors von Berlin nach Palermo ausgewiesen.

Beim Brenner Basistunnel wurde die Phase 3 am 18. April 2011 durch einen Beschluss der Gesellschafterversammlung (50 % ÖBB und 50 % TFB: davon 82 % RFI – italienische Eisenbahngesellschaft und 18 % Länder: Südtirol, Trentino, Verona) gestartet.

Beim Brenner Basistunnel handelt es sich um einen flach verlaufenden reinen Eisenbahntunnel. Die Tunnelverbindung zwischen Tulfes (Österreich) und Franzensfeste (Italien) weist eine Länge von 64 km auf, womit die weltlängste unterirdische Eisenbahnverbindung entsteht. Die maximale Längsneigung beträgt in den Hauptabschnitten 6,7 ‰. Mittig unterhalb der beiden Tunnelröhren befindet sich der Erkundungsstollen (Bild 1). Dieser wird zuerst abschnittsweise vor dem Bau der Hautröhren ausgebrochen, um hauptsächlich das Gebirge zu erkunden. Die Ergebnisse dieser geologischen und hydrogeologischen Erkundungen werden für den Bau der Haupttunnel genützt. Dadurch können das Baurisiko vermindert und sowohl Baukosten als auch Bauzeiten optimiert werden. Im endgültigen Ausbau wird dieser Erkundungsstollen durchgehend gebaut, sodass er dann als Entwässerungsstollen und bei Notwendigkeit als Dienststollen genützt werden kann.

Die wichtigsten Kenndaten des Brenner Basistunnels sind:

• Länge: 55 + 9 = 64 km

• Längsneigung: 5,0 bis 6,7 ‰

• Scheitelhöhe des Basistunnels: 795 m ü.d.M.

• Nettoquerschnitt der Haupttunnel mit baulicher Toleranz – konventioneller Vortrieb: 40,4 m²

• Nettoquerschnitt der Hauptunnel mit baulicher Toleranz – maschineller Vortrieb: 42 m²

• Abstand der Querschläge: 300 m

 

2 Planungen

2.1 Projektübergreifende Regelplanung – Guide Design

Damit die Planung der verschiedenen Baulose einheitlich erfolgt und die UVP-Vorschriften eingeplant werden können, wird beim Brenner Basistunnel vor der Ausschreibungs- bzw. Ausführungsplanung eine projektübergreifende Regelplanung (guide design) erstellt. Diese wird auf Basis des aktuellen Wissens und der neuesten technologischen Entwicklungen durchgeführt, um eine einheitliche technische Grundlage für die weiteren Ausschreibungs- und Planungsschritte zu schaffen. In einer internationalen Expertengruppe wurden die unterschiedlichen Erfahrungen mit Großprojekten und deren Abwicklungsmodalitäten ausgewertet und in der Folge ein Vorschlag für den Brenner Basistunnel ausgearbeitet. Dadurch soll eine homogene und solide Basis für die Folgeplanungen erarbeitet werden.

Durch die Unterschiedlichkeit der Planungsphilosophien und der länderspezifischen Vorgaben soll im Rahmen der Regelplanung eine einheitliche Vorgangsweise zur geotechnischen Klassifizierung vorbereitet werden. Dabei fließen auch die Kennwerte aus den Ergebnissen des Erkundungsstollens ein. Gezielt sollen die Auswahlparameter festgelegt und die Berechungsparameter bzw. –methoden wie Squeezing, Gebirgskriechen, elasto-plastische Stabilität, Deformationen etc. soweit als möglich festgelegt werden.

Die wesentlichen Elemente dieser gesamtheitlichen Regelplanung sind:

• Überarbeitung der Trassierung mit Einarbeitung sämtlicher Optimierungen und UVP-Vorschriften

• Normative Grundlagen und technische Vorgaben für die losbezogene Ausschreibungs- und Ausführungsplanung

• Einheitliche Bewertungsmatrix für die geotechnische Klassifizierung auf der Grundlage italienischer SIG(1997)- und österreichischer ÖGG-Richtlinien

• Grundsätze für die Bemessung, die konstruktive Durchbildung für eine Lebensdauer von 200 Jahren

• Erstellen von detaillierten Schnittstellen- und Typenplänen

• Toleranzvorgaben (vermessungs- und baumethodenabhängige Toleranzen) unter Berücksichtigung der Folgegewerke

• Vorkehrungen für den bahntechnischen Ausbau

Zusätzlich wird die gesamte Trassierung vom UTM in ein projektbezogenes Koordinatensystem BBT-TM gebracht, das durch eine transversale Mercatorprojektion erzeugt wird. Damit wird die mittlere Projekthöhe von 720 m orthometrischer Höhe festgelegt, was ca. 770 m ellipsoidischer Höhe entspricht. Das Projekt liegt somit in einem Gebiet ca. 10 km östlich und westlich vom Mittelmeridian. In diesem Fall beträgt die Streckenverzerrung weniger als 2 bis 3 mm/km. Im so geschaffenen Bezugssystem muss keine weitere Rotation durchgeführt werden, da die Meridiankonvergenz einfach zu berechnen ist und der sich daraus ergebende Reduktionseffekt auf die Richtungen unbedeutend ist (der Konvergenzwinkel beträgt ca. 4’).

2.2 Ausschreibungs- bzw. Ausführungsplanungen

Im Jahre 2012 erfolgen die Ausschreibungen für die externen Dienstleistungen zu den Ausschreibungs- und Ausführungsplanungen. Im Bauzeitplan sind 2 Hauptausschreibungen für die Ausschreibungs- bzw. Ausführungsplanung vorgesehen und zwar eine für den österreichischen Abschnitt (Erkundungsstollen, Haupttunnel ausgehend von den Baustellen Ahrental und Wolf) sowie eine für den italienischen Abschnitt (Erkundungsstollen, Haupttunnel ausgehend von der Baustelle Mauls). Die Planungen der Randbaulose (Einbindung Bahnhof Innsbruck, Rettungsstollen Umfahrung Innsbruck, Eisackunterquerung und Bahnhof Franzensfeste) und später der bahntechnischen Ausrüstung erfolgen gesondert. Durch die Vergabe der Ausschreibungs- und Ausführungsplanungen an denselben Planer soll gewährleistet werden, dass die Erkenntnisse aus dem Erkundungsstollenprogramm möglichst vollständig in die Planungen der Haupttunnellose einbezogen werden können.

In Österreich wird auf der Grundlage der ÖGG-Richtlinien und der ÖNORM B 2118 zur Ausschreibung der Tunnelbaulose eine Ausschreibungsplanung mit den wesentlichen Projektelementen und einer detaillierten Leistungsbeschreibung erstellt und dann baubegleitend die Ausführungsplanung erarbeitet.

In Italien wird auf der Grundlage des staatlichen Dekretes DM 163/2006 zur Ausschreibung der Baulose eine detaillierte Ausführungsplanung erstellt und baubegleitend Detailpläne erarbeitet.

3 Erkenntnisgewinn durch Modellsimulationen

3.1 Geo-hydrogeologische Modellierung

Nördlich des Brenners finden wir zwischen dem Innsbrucker Quarzphyllit und den Zentralgneisen des Brenners den sogenannten „Bündner Schiefer“. Es handelt sich dabei um ein durch die Entstehung der Alpen aus Meeressedimenten entstandenes feinkörniges Gestein. Ein charakteristisches Merkmal stellen die ausgeprägten Schieferungsflächen dar. Die Gesteine kommen hauptsächlich als dunkelgrauer „Schwarzphyllit“ vor, der sich mit kalkreichen Phylliten abwechselt.

Die geplante Tunneltrasse quert im Valser- und Pfitschtal den Aquifer des Hochstegenmarmors. Aufgrund der hohen Bedeutung dieses Aquifers wurde ein auf das im Hochstegenmarmor-Grundwasserfließsystem beschränktes 2-D-Simulationsmodell erstellt. Ziel dieser Modellierung ist es, einerseits Erkenntnisse über eventuelle Auswirkungen einer Grundwasserabsenkung durch die Drainagewirkung der Tunnelröhren zu gewinnen und andererseits die Wirkungsmechanismen von Abdichtungen in Bezug auf möglichst geringe Absenkungen des Grundwasserspiegels zu studieren (Bild 2).

Da die Durchlässigkeiten der benachbarten Gesteinseinheiten geringer sind als jene des Hochstegenmarmors und somit ein Zu- oder Abstrom in die benachbarten Gesteinseinheiten hydrogeologisch vernachlässigbar ist, wurde eine 2-D-Modellierung durchgeführt. Das Modellgebiet beschränkt sich auf die Grundwasserleiter des Hochstegenmarmors und der quartären Talfüllungen. Als Modellfläche wurde der gesamte Bereich des hydrogeologischen Modellschnittes mit der Grundwasserscheide im Norden und der hydraulisch dichten Brennerabschiebung am Südrand ausgewählt. Die Modellbasis stellt einen hydraulisch dichten Rand dar. Die Modelltiefe wurde mit -500 m ü .A. angenommen. Unterhalb dieser Höhe ist von keiner hydraulischen Wegigkeit mehr auszugehen. Das Modellgebiet wird von den Tunnelröhren durchörtert, weshalb sie in der Modellierung als Querschnitte dargestellt werden.

Die Schichtlagerung des Hochstegenmarmors weist ein Einfallen von 30° bis 45° nach Nordosten auf. Für die Modellbildung wurde der Hochstegenmarmor in die Vertikale projiziert. Um die für die Berechnung der Grundwasserströmungsverhältnisse erforderlichen realen Höhen beizubehalten, wurde das durch die Drehung überhöhte Profil dem tatsächlichen Geländeprofil angepasst.

Für die Talaquifere wurde entsprechend ihrer lithologischen Zusammensetzung die in Tabelle 1 aufgeführte kf-Zonierung (10 Zonen) vorgenommen. In dieser Tabelle findet sich auch eine Auflistung der restlichen Modellparameter.

 

Zur numerischen Modellierung der Grundwasserströmungsverhältnisse wurde die Methode der Finiten Differenzen verwendet (MODFLOW 2005 der U.S. Geological Survey). Bei der Berechnung wurden 3 Arten von Randbedingungen verwendet.

• Randbedingung 1. Art (Festpotenzial): Bei der Modellierung der Tunnelröhren wurde eine mittlere Höhe der Tunnelröhren angesetzt.

• Randbedingung 2. Art (Strömungsrandbedingung): Am oberen Rand des Projektgebietes wurde eine Grundwasserneubildungsrate von 357 mm/a angesetzt. Eine weitere Randbedingung 2. Art stellen die übrigen Ränder des Modellschnittes dar; diese wurden als undurchlässige Ränder ohne Durchfluss (sogenannte no flow boundaries) modelliert.

• Randbedingung 3. Art (Durchlässigkeitsbedingung): Hier wurde ein bestimmtes Potenzial und eine bestimmte Durchlässigkeit für die 5 Bäche definiert und die Absoluthöhen der Bäche und die Durchlässigkeit der Bachbetten (sogenannter leakage factor) festgelegt.

Bei der Modellierung des Gebirges ohne Tunnel wurden die Durchlässigkeiten variiert, um einerseits einen realistischen Bergwasserspiegel zu erhalten und andererseits die Durchflussraten der Bäche wirklichkeitsgetreu nachzubilden. Bei der Variation des leakage factors zeigte sich eine vergleichsweise geringe Sensitivität. Die Festlegung der Durchlässigkeiten hat jedoch eine wesentliche Auswirkung auf die Simulationsergebnisse. So ergaben sich beispielsweise beim Ansatz einer zu hohen Durchlässigkeit des Hochstegenmarmors (kf = 1 x 10^-6 m/s) unrealistisch niedrige Grundwasserstände. Auch wurden die Durchlässigkeiten der Talfüllungen variiert, um die Bergwasserlinie örtlich in den maßgebenden Punkten an die durch Messungen bestimmten Höhen anzupassen. Das Ergebnis der Variationsrechnung ist als Grundwassergleichenplan in Bild 3 dargestellt.

Eine mögliche Absenkung des Bergwasserspiegels durch die Tunnelröhren wird in Bild 4 dargestellt. Durch eine entsprechende Tunnelabdichtung (Injektionsring: Simulation mittels einer 10 m mächtigen Schicht um die Tunnelröhren mit einer geringeren Durchlässigkeit als jene des Hochstegenmarmors) kann die Absenkung des Bergwasserspiegels auf ein geringes, vertretbares Maß reduziert werden (Bild 5).

3.2 Geotechnische Modellierung

Im Abschnitt zwischen Innsbruck und dem Ahrental treffen wir den sogenannten Innsbrucker Quarzphyllit an. Er ist ein metamorphes, geschiefertes Gestein, das sich hauptsächlich aus den Mineralen Quarz, Glimmer und Feldspat zusammensetzt. Dort wurden für das Einreichprojekt die geotechnischen Kenndaten experimentell als Bandbreiten, also obere und untere Werte, ermittelt. Beispielhaft wurden für die Gebirgsart IQP-1QP-1a-E folgende Parameter festgelegt (Tabelle 2).

Für die Berechnung der Gebirgskennlinie wurde das Modell von Sulem/Panet (1987) herangezogen. Sulem /Panet verwenden für ihren Betrachtungen ein MC-Materialmodell. Die Gebirgskennlinie stellt den Zusammenhang zwischen der radialen Hohlraumrandverschiebung und der inneren Stützwirkung des Ausbaues dar. Durch das Einbringen einer stützenden Sicherungsschale in Form von Spritzbeton oder Tübbingen stellt sich ein Gleichgewicht zwischen dem einwirkenden Gebirgsdruck und dem Widerstand des Ausbaues ein. Das Gebirge verhält sich bis zum kritischen Ausbaustützdruck elastisch und danach plastisch. Im Schnittpunkt der beiden Kennlinien herrscht Gleichgewicht (Tabelle 3).

Unter Berücksichtigung der Bandbreiten der geotechnischen Kenndaten ergeben sich ganz unterschiedliche Gebirgskennlinien, wie dies beim Erkundungsstollen Innsbruck-Ahrental aufgezeigt wird (Bild 6, 7). So entstehen bei einem Gebirgsdruck (Ausbaustützdruck) von 1 Mpa radiale Hohlraumverformungen zwischen 2 mm (höhere Werte) und 8 mm (tiefere Werte).

Die gemessenen Verformungen im Erkundungsstollen werden den durch das Kennlinienverfahren bzw. durch numerische Simulationen (Flac 2D bzw. 3D) berechneten Größen gegenübergestellt. Damit gelingt es ansatzweise durch Modellsimulationen das Gebirge zu beschreiben und für den Haupttunnel gezielter zu berechnen.

4 Bau

Von den insgesamt etwa 200 km (Längen aufsummiert) zu errichtenden Stollen, Querschlägen, Fenster-, Erkundungs- und Hauptstollen wurden bis Ende Dezember 2011 etwa 20 km gebaut. Dabei wurden 11 km mittels einer Doppelschildmaschine (Aicha – Mauls) aufgefahren und die übrigen Stollen konventionell mit Sprengvortrieb vorgetrieben. Bisher sind keine größeren Wasserzutritte zu verzeichnen und das angetroffene Gebirge ist besser als die geologischen Untersuchungen ergaben.

An allen oberirdischen Baustellen, außer den beiden Bahnhöfen Innsbruck und Franzensfeste, wird schon gebaut. Von diesen Stellen führen insgesamt 4 Fensterstollen in die Tiefe auf das Niveau des Erkundungsstollens bzw. Rettungsstollen bei der Umfahrung von Innsbruck (Bild 8).

4.1 Bauprogramm 2011

Das Bauprogramm 2010 des Brenner Basistunnels wurde auf Basis der UVP-Genehmigungen, aufbauend auf ermittelten Ausbruchzeiten von vergleichbaren Projekten unter Berücksichtigung der lokalen baulogistischen Möglichkeiten erstellt. Nach einer eingehenden Analyse wurde das Bauprogramm in Form eines Weg-Zeit-Diagramms erstellt und mit externen Fachexperten diskutiert. Notwendig war es dabei neben den verschiedenen Vortriebsmethoden auch die Planungs- und Ausschreibungs- bzw. Vergabezeiten zu berücksichtigen. Das Weg-Zeit-Diagramm umfasst die gesamten Bautätigkeiten vom Rohbau bis zur Inbetriebnahme mit den dazu notwendigen Planungs- und Ausschreibungszeiten. Das Bauprogramm 2010 des Brenner Basistunnels wurde auf Basis neuer baulogistischer Erfahrungen und verbesserter geologischer und hydrogeologischer Erkenntnisse bauwirtschaftlich optimiert. Das Bauende mit der bahntechnischen Ausrüstung ist für 2025 und die Inbetriebnahme mit Dezember 2026 geplant. Jährlich wird das Bauprogramm aktualisiert, weshalb in Bild 9 das aktualisierte Bauprogramm 2011 dargestellt wird.

Auf der Grundlage des derzeitigen Kenntnisstandes kann man davon ausgehen, dass etwa 30 % konventionell und 70 % maschinell vorgetrieben werden.

4.2 Fensterstollen Mauls

Südlich von Mauls wurde der 1,8 km lange Zugangstunnel mit einem Gefälle von 8,5 % im Brixner Granit aufgefahren. Der Zugangstunnel wurde mittels Sprengvortrieb ausgebrochen und im Jahr 2009 fertig gestellt. Der Ausbruchquerschnitt betrug etwa 105 m². Die Sicherung erfolgte mit faserverstärktem Spritzbeton und in Teilbereichen mit Ankern (Superswellex). Der Tunnel wurde vollflächig im Sprengvortrieb ausgebrochen: Auf einer Länge von ca. 95 % des Tunnels wurde standfestes Gebirge angetroffen. Auf den restlichen 5 % wurde ein Gebirge mit gefügebedingten Nachbrüchen festgestellt.

4.3 Fensterstollen Wolf

Im Sommer 2010 wurde mit der Unterquerung der bestehenden Brennerbahn das Eingangsportal zum Fensterstollen Wolf geschaffen. Von dort zweigt nördlich ein etwa 700 m langer Zufahrts- und Versorgungsstollen, der Padastertunnel ab. Südlich zweigt der etwa 3,5 km lange Fensterstollen mit einem Gefälle von 10 % ab, der mittels Sprengvortrieb im Bündner Schiefer errichtet werden wird.

4.4 Fensterstollen Ahrental

Der 2,4 km lange und 10,5 % fallende Fensterstollen Ahrental wird seit Sommer 2010 im Innsbrucker Quarzphylit konventionell aufgefahren. Der Ausbruchquerschnitt weist etwa 105 m² auf. Nach dem Portal unterquert der Zugangstunnel die Brennerautobahn A13. In diesem Bereich wurde der Tunnel mit einem Rohrschirm gebaut, um dadurch eine Gewölbetragwirkung zu erreichen. Ende 2011 waren etwa 1,5 km mittels Sprengvortrieb vorgetrieben, wobei bei den flachliegenden Quarzphyllitplatten nur geringe Abschlagslängen möglich sind.

4.5 Fensterstollen Ampass

Der Fensterstollen Ampass hat eine Länge von ca. 1.400 m. Der Ausbruchquerschnitt beträgt etwa 35 m². Im Fensterstollen Ampass werden aufgrund des geringen Querschnittes 2 Ausweichnischen und 2 Wendenischen aufgefahren. Im September 2011 wurde mit den Bauarbeiten begonnen. Der Portalbereich wurde auf einer Länge von ca. 14 m in Deckelbauweise errichtet. Die Landesstraße L283 verläuft dann auf dieser Deckelplatte. Im März 2012 wird mit dem Sprengvortrieb begonnen. Laut geologischer Prognose stehen auf den ersten ca. 300 m Lockergesteine der Moränenfazies an. Die weiteren ca. 1.000 m sind im Innsbrucker Quarzphyllit aufzufahren.

4.6 Erkundungsstollen Innsbruck - Ahrental

Vom konventionell aufgefahrenen Erkundungsstollens Innsbruck – Ahrental wurden bis Ende Januar 2012 insgesamt etwa 6 km aufgefahren. In einigen Abschnitten war ein erhöhtes Nachbrüchigkeitsverhalten durch flach liegende Schieferung und Verschnitte mit steil stehenden Klüften zu verzeichnen.

4.7 Erkundungsstollen Aicha – Mauls

Vom maschinell vorgetriebenem Erkundungsstollen Aicha – Mauls wurden etwa 11,5 km ausgebrochen. Derzeit wird in Richtung Norden im Bereich der periadriatischen Naht gearbeitet. Mittels Sondierbohrungen werden die einzelnen Teilabschnitte vorerkundet und der Sprengvortrieb bzw. die Erstsicherung entsprechend angepasst.

5 Ausblick

Die Bauphase (Phase III) wurde beim Brenner Basistunnel am 18. April 2011 eingeleitet. Unter Einbindung der Erfahrung von vergleichbaren Tunnelprojekten, mit Unterstützung von numerischen Simulationen zur Erweiterung des Verständnisses und mit fachkundigen, teamfähigen Mitarbeitern sowie mit hervorragenden externen Ingenieurdienstleistern und Baufirmen werden wir den Brenner Basistunnel bauen.