IUT ’08: Moderner Tunnelbau und Geothermie im Fokus
Die 5. Tunnelmesse über „Innovationen unter Tage“/IUT ’08) [1] (17./18. September 2008) im VersuchsStollen Hagerbach (VSH) nahe Sargans bot mit den beiden Seminaren „Moderne Tunnelausrüstung für Straße und Schiene“ und „Tunnelgeothermie – Nutzungsmöglichkeiten und Potenziale“ den interessierten Fachbesuchern neben den Baustellenbesuchen (Uetlibergtunnel und Saasertunnel) [2] ein breites Angebot an kompetent präsentierter Fachinformation.
Tunnelbauseminar Während sich die Seminare davor vorwiegend mit Tunnelvortriebsverfahren (IUT ’02) und dem Tunnelausbau (IUT ’05) [3] befassten, lag der Schwerpunkt des Tunnelbauseminars zur IUT ’08 bei der „betriebs- und verkehrstechnischen Tunnelausrüstung“. In 3 Jahren wird das Tunnelbau-seminar zur IUT ’11 eine weitere, immer aktueller werdende Thematik behandeln, nämlich „Erhaltung, Sanierung und Erneuerung älterer Tunnel“ – bei vollem oder eingeschränktem Betrieb. Prof. Dr.-Ing. Alfred Haack, STUVA e.V., berichtete einleitend als Leiter des Seminars über die weltweit zunehmende Bedeutung des unterirdischen Bauens im Bereich Verkehr, Landschaftsschutz sowie Ver- und Entsorgung. Dementspre-chend sind die Beiträge international anerkannter Fachleute aktuellen Fragen gewidmet.
Werkvertrag Bahntechnik für Gotthard-Basistunnel Seitens der AlpTransit Gott-hard AG (ATAG), Tochtergesellschaft der SBB AG, wurde über den Weg zum Werkvertrag Bahntechnik für den Gotthard-Basistunnel berichtet [4, 5]: von der Risikoanalyse über Ausschreibung und Vergabe, Beschwerdeverfahren, gerichtlichen Entscheid (keine aufschiebende Wirkung bei öffentlichem Interesse an Fertigstellungstermin) bis zum Werkvertrag vom 29. April 2008 über 1,69 Mrd. sFr. (1 Mrd. Euro) mit Einzelheiten über den Arbeitsumfang (Feste Fahr-bahn, elektrische Anlagen, Stromversorgung, Telecom und Sicherungsanlagen usw.) sowie Aufstellen des Ausführungsprojektes und Termine.
Erfahrungen mit dem Einbau der bahntechnischen Ausrüstung Für die Ausrüstung des Lötschberg-Basistunnels wurde das Modell mit voneinander unabhängigen Totalunternehmern (TU) gewählt, die die Gesamtverantwortung für Planung, Ausführung und Inbetriebnahme ihres Systems trugen. Nach der Ausschreibung kam es zu einem Gesamttotalunternehmer, was zu weniger Schnittstellen und erhöhter Terminsicherheit geführt hat [6, 7]. Auf die Erfahrungen beim Einbau der Festen Fahr-bahn (Bild 1) wurde näher eingegangen.
Erhaltung und Kosten der Tunnelausrüstung Es wurde über die hohen Sicherheitsanforderungen beim Lötschberg-Basistunnel (Zutrittskontrolle und Videoanlagen, Ent- und Belüftung sowie Türen und Tore hinsichtlich Brandsicherheit) (Bild 2) und die Erhaltungskosten (ohne Erneuerungen) von 240 sFr. (150 Euro) pro 1 m Gleis in 1 Jahr, d. h. 7 % Rohbau, 25 % Bahntechnik, 48 % Tunneltechnik und Sicherungsanlagen sowie 20 % technischer Betrieb und Logistik, berichtet.
Moderne Technologie für die Zugsicherung Dank des European-Train-Control-Systems (ETCS) fahren die Züge schneller – zuerst auf der Neubaustrecke Mattstetten–Rothrist mit Önzberg- und Wolfachertunnel und ab 2007 auch auf der neuen Lötschberg-Achse mit dem Lötschberg-Basistunnel [8]. Beim ETCS Level 2, das Geschwindigkeiten über 160 km/h ermöglicht, entfallen die Außensignale; der Lokführer fährt nach Anzeige im Führerstand (Bild 3) geschwindigkeitsüberwacht und unabhängig von äußeren Sichtverhältnissen; die dadurch dichtere Zugfolge ergibt eine größere Streckenleistung. Zurzeit wird ETCS in Europa in 23 Projekten auf insgesamt 3000 Strecken-km und rd. 800 Fahrzeugen umgesetzt. Auch für die Gotthard-Achse mit Gotthard- und Ceneri-Basistunnel ist die Ausrüstung mit ETCS Level 2 vorgesehen.
Straßentunnel: EU-Direktive und RABT Sowohl die EU-Direktive [9] als auch die nationale Richtlinie für die Ausstattung und den Betrieb von Straßentunneln (RABT) [10] stellen Mindestanforderungen an die baulichen und technischen Einrichtungen in Straßentunneln, um in erster Linie die Sicherheit der Tunnelnutzer im Fall einer unvorhergesehenen Störung bis hin zum Brandfall zu gewährleisten. Die Anforderungen im nationalen Regelwerk gehen jedoch in weiten Teilen über die Anforderungen der EU-Direktive hinaus; es werden vor allem sehr hoch belastete kürzere Tunnel berücksichtigt, da die meisten Tunnel kürzer als 1000 m sind. Näher eingegangen wurde auf organisatorische, bauliche und technische Maßnahmen wie Sicherheitsmanagement, Fluchtwegkennzeichnung, Leiteinrichtungen (LED-Marken), Notausgangsgestaltung, Lüftungsarten im Brandfall bei Gegenverkehr sowie Richtungsverkehr mit Stauneigung – insbesondere steuerbare Rauchabzugsklap-pen.
Auslegung, Betrieb und Instandhaltung der Tunnelbetriebstechnik bei Straßentunneln Dazu wurden Einzelheiten über die Betriebskostenentwicklung bei Alt- und Neuanlagen (Energiekostenentwicklung), Lüftungsanlagen (Vollquerlüftung bei Berücksichtigung der Größe der Querschlagtore), Videoüberwachung, Beleuchtungsanlagen (weiße statt gelbe Natriumhochdruckdampflampen), Ver-kehrssignalisierung (Ampeln, LED-Lauflichter) und die im Tunnel verwendeten Werkstoffe hinsichtlich Brandbeständigkeit und Dauerhaftigkeit (Edelstähle) gebracht.
Fest installierte Brandbekämpfungsanlagen Prof. Dr. Haack gab dazu einen Überblick über die Entwicklung [11, 12] und den derzeitigen Stand in Forschung und Wissen. Im Zusammenhang mit dem Einsatz automatischer Brandbekämpfungsanlagen (Bild 4) ist noch zu klären, – ob die Investition darin durch Einsparungen bei den Lüftungsanlagen teilweise kompensiert werden kann und
– wann der günstigste Zeitpunkt zur Aktivierung der An-lage im Hinblick auf die Eindämmung der Brandentwicklung einerseits und die geänderten Bedingungen für Flucht und Rettung andererseits ist. Tunnelgeothermie: Nutzungsmöglichkeiten und Potenziale Auf der IUT ’08 gab es erstmals ein Seminar über Tunnelgeothermie (18. September), veranstaltet von der Schweizerischen Vereinigung für Geothermie (SVG). Nach den einleitenden Ausführungen des Seminarleiters, Dr. Roland Wyss von der SVG lassen mehr als 700 Eisenbahn- und Straßentunnel in der Schweiz eine Nutzung der Geothermie zu; dabei ergeben sich die Möglichkeiten aus der anfallenden Energiemenge und den örtlichen Gege-benheiten. Das Kühlen tief liegender Tunnelbereiche oder die Einleitung nicht zu warmen Tunnelwassers in Vorfluter gehören zu den Aufgaben des Tunnelbauers. Künftig sollte bei jedem größeren Tunnelprojekt die geothermische Nutzung schon bei frühen Planungsphasen gebührend in Betracht gezogen werden.
Tunnelwärmenutzung: Grundlagen und Beispiele aus der Schweiz Die Tunnelwärme, z. B. die Bergwasserwärme, kann auf verschiedene Arten genutzt werden; tief liegende Tunnel dränieren zum Teil große Mengen von armen Bergwässern mit je nach Felsüberdeckung 20 bis 50 °C. Für eine energetische Nutzung von zufließenden Tunnelwässern sind die thermische Leistungskapazität und die Ausflusstemperatur beim Portal maßgebend. Bei der direkten Nutzung sind
– die Wirtschaftlichkeit (Wärmeabnehmer in Portalnähe) und
– die Umweltaspekte (Einleitungsbedingungen gemäß Gewässer-Schutzvorschriften; maximale Erwärmung im Winter nach Bergwassereinleitung +1,5 °C bei Reuss, Ticino und Rhône; u. U. Abkühlbecken) zu berücksichtigen.
Die tunnelreiche Schweiz weist ein interessantes Potenzial für die Nutzung der warmen Wässer aus Tunnel und Stollen auf (etwa 30 MW ohne Basis-tunnel; 6–300 l/s, 12–35 °C); einige Ausführungsbeispiele gibt es bereits (Tab. 1), 3 Tunnelwassernutzungen befinden sich im Bau und 6 weitere sind geplant.
Abwärmenutzung aus Tunnelwasser Auch bei den Alptransittunneln sind Wärmenutzungsprojekte angesiedelt. Lötschberg- und Gotthard-Basistunnel mit 2,0 und 2,5 km Felsüberde-ckung bieten bei 60 bis 120 l/s Schüttung mit 17 bis 35 °C Wärmequellenpotenziale von 2,5 bis 6,7 MW. Nutzungsmöglichkeiten bestehen für
– Wohngebiete und öffentliche Gebäude,
– Industrie und Gewerbe,
– Landwirtschaft (Gewächshäuser) und Fischzucht sowie
– Freizeiteinrichtungen.
Für die Nutzung der Tunnelwasserwärme beider Tunnel sind Investitionen zwischen 7 und 17 Mio. sFr. (4,2/10 Mio. Euro) erforderlich. Für Nahwärmeinseln ergeben sich Wärmegestehungskosten von 0,10 bis 0,15 sFr. (6 bis 9 ct)/kWh. Bei Verwirklichung der Projekte ließen sich die CO2-Emissionen jährlich um 13 300 t verringern. Die Ausführung der Tunnelwassernutzung ist danach wirtschaftlich und energiepolitisch äußerst interessant.
Nutzung des warmen Wassers aus dem Lötschberg-Basistunnel Dazu wurden Einzelheiten über Herkunft und Eigenschaften (chemische Zusammensetzung und physikalische Kennwerte wie Schüttung, Temperatur und pH-Wert) des Bergwassers gebracht und die Bedingungen für die Einleitung des Bergwassers in die Oberflächengewässer (Kander und Engstlige) mit Berechnung der zulässigen Temperatur und Einleitwassermenge; es gibt ein Überleitpumpwerk im Basistunnel, das im Bedarfsfall einen Teil des Bergwassers über den Scheitelpunkt in die Rhône ableitet. Das Bergwasser wird genutzt beim
– Projekt „Tropenhaus Frutigen“ (Gewächshaus mit Plantage und Becken für Fischzucht, Betriebsgebäude und Gastronomie), ergänzt durch
– einen Nahwärmeverbund zur Beheizung von Gebäuden im Bahnhofsviertel von Frutigen.
Je nach Lufttemperatur können dem Bergwasser zwischen 5,22 und 3,13 MW an Wärmeenergie entzogen werden (Bild 5). Das Beispiel zeigt, dass eine sinnvolle Nutzung der Abwärme aus dem Tunnelwasser im Rahmen einer Produktion von tropischen Früchten und Fischen im Nahwärmeverbund möglich ist.
Lüftung und Klimatisierung tief liegender Kavernensysteme Der Gottthard-Basistunnel stellt als längster Tunnel der Welt sehr hohe Anforderungen auch hinsichtlich Lüftung und Klimatisierung der technischen Räumlichkeiten in den Kavernen für die Multifunktionsstellen Sedrun und Faido (Bild 6). Beide sind an eine Lüftungszentrale angeschlossen, von der aus bei Bedarf frische Außenluft eingeblasen und die Abluft oder Rauchgase aus den Bereichen der Nebenhaltestellen in die äußere Umgebung abgeführt werden können. Diese Räumlichkeiten brauchen eine kontinuierliche Lüftung und Klimatisierung, damit die für den Tunnelbetrieb unentbehrlichen Anlagen zuverlässig und dauerhaft betrieben werden können. Näher eingegangen wurde auf die Anforderungen und Rand-bedingungen sowie auf Einzelheiten von technischen Lösungen (Filtrierung der Außenluft und Abluft, Wärmerückgewinnung, mechanische Kühlung, Elektro-Nachwärmer, Dampfbefeuchtung, Lufttemperatur-/Luftfeuchtemessung).
Tunnelwärmenutzung mit Absorberelementen Seit Anfang der 1990er-Jahre wurden Technologien zum Erschließen größerer Energiepotenziale aus Erdwär-me entwickelt; das betrifft vor allem Bauwerksteile aus Beton, in die Absorberleitungen (Bild 7) verlegt werden:
– Betonauskleidungen von Tunneln in bergmännischer Bauweise,
– Betonkonstruktionen für Tunnel in offener Bauweise,
– Energiepfähle (Ortbetonbohr- und Rammpfähle aus Stahlbe-ton) bei offener Tunnelbauweise (Lainzer Tunnel) und
– Schlitzwände zur Baugrubensicherung u. a. für Tunnelbauten.
Neue Entwicklungen [13] sind
– Energietunnel mit Energie-vlies und Energieanker beim bergmännischen Tunnelbau und – Energiebrunnen bei Grundwasserabsenkung bei Bauarbeiten.
Die Erdwärmenutzung mitttels Tunnelbauwerken ist vorteilhaft, denn
– Tunnel liegen meist in Tiefen mit konstanter Temperatur,
– Tunnel bieten große erdberührte Flächen zum Energiegewinn,
– lange Tunnel haben erhebliche innere Wärmequellen (Abwärme von Fahrzeugen – auch bei U-Bahnen).
Bei Genehmigungsverfahren für große Tunnelbauwerke kann die Erdwärmenutzung Vorteile (Kosten und Akzeptanz) haben. Durch die interessanten Vorträge und zahlreichen Diskussionsbeiträge wurde erfolgreich der Erfahrungsaustausch über neue Erkenntnisse des Tunnelbaus und der Tunnelgeothermie gefördert. Weitere Einzelheiten enthält der Vor-tragsband, erhältlich über Fax ++49.5241.80.9650. Die nächste Tunnelmesse, die 6. IUT, wird vom 14. bis 15. September 2011 wieder im VersuchsStollen Hagerbach stattfinden.
G. B.
Literatur [1] 5. IUT in Sargans: Die authentische Tunnelmesse. tunnel 7/2008, S. 6–10.
[2] Saasertunnel – Sprengvortrieb begonnen. Tunnel 2/2006, S. 4–5; Durchschlag am 25. Juni 2008.
[3] Moderner Tunnelbau – Entwicklungen/Tendenzen. Seminar im Rahmen der IUT ’05 in Sargans. tunnel 7/2005, S. 66–67.
[4] Gotthard-Basistunnel: Bahntechnikarbeiten vergeben. tunnel 4/2007, S. 4–5, und 5/2007, S. 4 (Vergabe angefochten).
[5] Interaktionskonsortium für Gott-hard-Basistunnel. tunnel 4/2008, S. 16–17.
[6] Fett, W.; Lehmann, R.: Inbetriebsetzung des Lötschberg-Basistunnels. tunnel 4/2007, S. 20–27 und 10–19.
[7] Eröffnung des Lötschberg-Basitunnels. tunnel 2/2007, S. 8–10, und 5/2007, S. 4–7.
[8] ETCS-Zugsicherungssystem in der Schweiz. Vollbetrieb auf der Neubaustrecke Mattstetten–Rothrist. Eisen-bahningenieur 7/2007, S. 22–24, und tunnel 2/2004, S. 4–5 (Lötschberg-Basistunnel).
[9] Richtlinie 2004/54/EG des Euro-päischen Parlaments und des Rates über Mindestanforderungen an die Sicherheit von Tunneln im transeuropäischen Straßennetz. 29. April 2004, Amtsblatt der Europäischen Union.
[10] Sicherheitsanforderungen an Planung, Bau und Betrieb von Straßentunneln. tunnel 8/2005, S. 40–42.
[11] Tunneltest in Europa. EuroTAP – Auszeichnung für Testsieger. tunnel 3/2008, S. 46–48.
[12] Sicherheit in Straßentunneln (ADAC-Tunneltest 2008). tunnel 4/2008, S. 72–79.
[13] Adam, D.; Oberhauser, A.: Kosten und Nutzen der Geothermie für die Verkehrsinfrastruktur. Eisenbahningenieur 3/2008, S. 6–12.
