Injektionen zur Begrenzung von Wasserzutritten in anhydritführendes Gebirge

Die wasserführende Auslaugungsfront wird über dem Vortrieb vorauseilenden Bohrungen durch Einpressungen von Polyurethan abgedichtet, damit kein Grundwasser an das anhydritführende Gebirge gelangen kann. Aus demselben Grund wird die Längsläufigkeit von Wasser durch die den Tunnel umgebende Auflockerungszone mit Hilfe von Abdichtungsbauwerken unterbunden. In der Umgebung der Abdichtungsbauwerke wird das Gebirge über radiale Bohrungen mittels Acrylatgelinjektionen abgedichtet. Zusätzlich wird die ausbruchbedingte Auflockerungszone in der Umgebung der Tunnel in anhydritführenden Tunnelabschnitten bereichsweise durch Acrylatgel­injektionen abgedichtet.

Im vorliegenden Artikel werden die Ergebnisse eines Injektionsversuchs beschrieben, der im Tunnel Feuerbach durchgeführt wurde; ferner wird über laufende Acrylatgelinjektionen im Cannstatter Tunnel berichtet.

1 Projekt

Die Trasse des Bahnprojekts Stuttgart–Ulm (Bild 1) führt vom neuen Hauptbahnhof über den 9,5 km langen Fildertunnel auf die Filderebene, von dort über die Albaufstiegtunnel (Boßler- und Steinbühltunnel) auf die Schwäbische Alb und über den Albabstiegstunnel in den Hauptbahnhof Ulm. Die Tunnel bestehen jeweils aus zwei eingleisigen Tunnelröhren. Der Flughafen wird über den Flughafentunnel an die Hochgeschwindigkeitsstrecke angebunden, und die Strecke nach Zürich über die sogenannte Flughafenkurve.

Die Anbindung des neuen Stuttgarter Hauptbahnhofs an die Schnellfahrstrecke von Mannheim nach Stuttgart erfolgt über zwei eingleisige Tunnelröhren nach Stuttgart-Feuerbach. Die bestehende Strecke durch das Neckartal wird über die Tunnel nach Bad Cannstatt und Ober-/Untertürkheim an den neuen Hauptbahnhof angeschlossen (Bild 1, Ausschnitt).

Die beiden Röhren des Fildertunnels werden in einem mittleren Abschnitt mit einer TBM aufgefahren. Die anderen Abschnitte dieses Tunnels werden, wie alle anderen Tunnel im Stadtgebiet von Stuttgart, konventionell vorgetrieben.

2 Baugrund

Ein geologischer Längsschnitt für den Tunnel nach Feuerbach findet sich im Bild 2. Danach liegen die Tunnelröhren vollständig in den Schichten des Gipskeupers. Unterhalb des Gipskeupers stehen der Lettenkeuper und der obere Muschelkalk an. Oberhalb des Gipskeupers wurden im Rahmen der Voruntersuchungen bereichsweise der Schilfsandstein und die Unteren Bunten Mergel erbohrt.

Der Gipskeuper steht in drei Erscheinungsformen an, die auf den Sulfatgehalt der Tonschluffsteine dieser Formation zurückzuführen sind. Die in Bild 2 und 3 in roter Farbe dargestellten Schichten enthalten Sulfat in Form von Anhydrit. Dieses geht bei Wasserzutritt in Lösung und kristallisiert an Ort und Stelle wieder als Gips aus, falls die Lösung nicht mit dem Grundwasser abtransportiert wird; dieser Vorgang findet in der Natur in geologischen Zeiträumen statt.

Oberhalb besteht der Sulfatanteil in den rosa gekennzeichneten Schichten aus Gips. Es handelt sich aber auch dann noch um einen festen Fels, der allerdings nicht mehr quellfähig ist. An der Oberfläche dieser Schicht, der sogenannten Auslaugungsfront, wird bei Zutritt von Wasser der Gips gelöst und mit dem Grundwasser abtransportiert. Übrig bleibt der in Gelb gekennzeichnete, ausgelaugte Gipskeuper – ein sogenanntes Residualgestein (siehe Bild 2 und 3). Diese Schicht besitzt Lockergesteinseigenschaften. Sie verhält sich hinsichtlich der Wasserdurchlässigkeit wie ein Schluff und im Hinblick auf die Verformbarkeit wie ein Kiessand.

Die Umwandlung von Anhydrit in Gips wird auch beim Tunnelbau kurzfristig ausgelöst, wenn es nicht gelingt, größere Auflockerungen zu vermeiden und das Grundwasser oder Brauchwasser vom anhydritführenden Gestein fernzuhalten. Dieser Vorgang ist mit großen Volumenzunahmen, dem sogenannten Quellen verbunden. Wenn man die quellbedingten Verformungen verhindert oder behindert, entstehen große Quelldrücke [1]. Dadurch ist es bei vielen Tunneln zu Schäden und auch zu Hebungen gekommen, die selbst bei tiefliegenden Tunneln bis zur Geländeoberfläche reichen [2], [3].

Im Tunnel nach Feuerbach wird anhydritführender Gipskeuper in drei Bereichen, den sogenannten Linsen 1 bis 3, angetroffen (siehe Bild 2). Die Tunnel nach Bad Cannstatt durchfahren die Linsen 1 und 2.

3 Abdichtungsmaßnahmen

3.1 Vorauseilende Abdichtung der Auslaugungsfront

Das Entwurfskonzept für die Tunnel des Projekts Stuttgart 21 geht davon aus, dass Wasserzutritte beim Bau vermieden und nach dem Bau minimiert werden müssen.

Der Bau der Tunnel in den anhydritführenden Schichten erfolgt deshalb absolut trocken. Das trockene Bohren, Sprengen und Schuttern ist mit einer starken Staubentwicklung verbunden und erfordert umfangreiche Entstaubungsmaßnahmen [4].

Außerdem müssen Wasserzutritte aus dem Grundwasser vermieden werden. Das Risiko, dass Sickerwasser mit dem anhydritführenden Gestein in Kontakt kommt, besteht vor allem in Tunnelabschnitten, in denen die wasserführende Auslaugungsfront durchörtert wird bzw. in der unmittelbaren Umgebung des Tunnels ansteht (siehe Bild 3). Vorauseilende Injektionen mit Polyurethan zur Abdichtung der Auslaugungsfront werden in diesen Bereichen erfolgreich durchgeführt. Dabei ergeben sich in der Regel sehr hohe Aufnahmemengen über Bohrungen, mit denen die stark durchlässige Auslaugungsfront durchörtert wird (Bild 4).

3.2 Injektionen im anhydritführenden Gestein

Ein weiterer Fließweg, auf dem das Grundwasser auch nach dem Bau in anhydritführendes Gestein gelangen kann, ist die vortriebsbedingte Auflockerungszone, die sich als Folge der Sprengungen und der vortriebsbedingten Spannungsumlagerungen im Gebirge ausbildet. Die durch die Spannungsumlagerungen entstehenden Schub- und Zugspannungen, vor allem auf den vertikalen Klüften, erstrecken sich in Abhängigkeit von der anstehenden Schichtenfolge bis zu einigen Metern in den an den Tunnel angrenzenden Fels (Bild 3 und Bild 5) [5], [6].

Dabei bewirken bereits geringe Vergrößerungen der Öffnungsweite der Trennflächen im Bereich von Bruchteilen von mm Zunahmen der Wasserdurchlässigkeit im Bereich von Zehnerpotenzen [1]. Um derartige Auflockerungen neben dem „unteren Teil“ des Tunnelquerschnitts zu vermeiden, wurde das sogenannte U-Profil entwickelt. Hierfür ergibt sich im Unterschied zum kreisförmigen Ausbruchquerschnitt nur im Bereich der Firste eine durch Spannungsumlagerungen bedingte Auflockerung des Felses [7].

Die vortriebsbedingt aufgelockerten Bereiche werden nachlaufend abgedichtet (siehe „Injektionen Anhydrit“, Bild 3). Für diese Injektionen wird Acrylatgel verwendet (nähere Erläuterung dazu folgen in Abschnitt 4). Acrylatgel ist ein Injektionsmittel, das aufgrund seiner geringen Viskosität in feinste Spalten eindringt und mit dem man sehr geringe Wasserdurchlässigkeitsbeiwerte erzielen kann [8], [9], [10].

3.3 Abdichtungsbauwerke

Zusätzlich zu den Injektionen Anhydrit werden zur Vermeidung der Längsläufigkeit im Bereich des Übergangs vom gipsführenden zum anhydritführenden Gebirge schließlich Abdichtungsbauwerke hergestellt (Bild 6). Hierzu wird das Gebirge in Abhängigkeit von den vorliegenden Verhältnissen über einen 5 m langen Tunnelabschnitt – oder über zwei nebeneinander liegende, 5 m lange Tunnelabschnitte – bis in eine Tiefe von ca. 1 m herausgefräst und durch Stahlfaserspritzbeton ersetzt. Danach erfolgt eine Abdichtung des außerhalb des Betonrings liegenden Felses durch Acrylatgel über radiale Bohrungen. Eine umlaufende Kontrolldränage auf der „trockenen Seite“ des ersten Abdichtungsringes dient der Überprüfung des Injektionserfolgs.

4 Injektion Anhydrit

4.1 Wahl des Verpressmittels

In Bild 7 ist die Anordnung eines Wasserdurchlässigkeitsversuchs bzw. Lugeon-Versuchs in einem Fels mit einer horizontalen Trennflächenschar mit einem Trennflächenabstand s und einer konstanten Öffnungsweite der Trennfläche von 2a_i skizziert. Der Bohrlochdurchmesser ist mit 2r₀ gekennzeichnet, und es wird eine Wassermenge Q in einen Verpressabschnitt der Länge l mit dem Druck p eingepresst. Der Durchlässigkeitsbeiwert der Trennflächen oder des Felses k_D lässt sich nach [1] in Abhängigkeit von der Öffnungsweite (2a_i) und dem Abstand (s) der Trennflächen sowie der kinematischen Zähigkeit des Wassers angeben (Bild 7, Gleichung 1).

Aus den im Lugeon-Versuch gemessenen Wasserdrücken (p) und der verpressten Menge (Q) lässt sich der Durchlässigkeitsbeiwert k_D versuchstechnisch ermitteln. Löst man diese Gleichung nach dem Einpressdruck p auf und ersetzt die dynamische Viskosität des Wassers durch den entsprechenden Wert einer anderen Newton‘schen Flüssigkeit, so erhält man Gleichung 2 (Bild 7). Aus dieser Gleichung kann man dann den Injektionsdruck errechnen, der erforderlich ist, um ein Injektionsgut mit Newton‘schem Fließverhalten über eine Reichweite R zu verpressen.

In Bild 7 wurde dies für einen Fels mit einem Durchlässigkeitsbeiwert von 10^-6 m/s in einem Zahlenbeispiel durchgeführt. Es ergibt sich, dass sich Acrylatgel mit einer Viskosität von η = 5 mPa*s (die dem fünffachen Wert der Viskosität des Wassers entspricht) mit einem Druck von erf. p = 6 bar über eine Reichweite von 1 m einpressen lässt. Für eine entsprechende Einpressung von Polyurethan wird man dagegen einen Verpressdruck von 105 bar benötigen. Das ist jedoch ein Druck, der zu einem unerwünschten Aufreißen („Fracking“) des Felses führen würde.

Da mit den Injektionen Anhydrit auch Fels mit geringer Wasserdurchlässigkeit abgedichtet werden muss, kommt als Einpressmittel im vorliegenden Fall somit nur Acrylatgel in Betracht. Andere chemische Verpressmittel mit geringer Viskosität kommen aus umwelttechnischen Gründen nicht in Frage.

4.2 Verpresstechnik

Das verwendete Acrylatgel besteht aus den Komponenten A und B, die über eine Doppelkolbenpumpe einem Statikmischer zugeführt und von dort über eine Zuleitung und das Bohrloch in den Fels eingepresst werden (Bilder 8 bis 10). Der Verpressabschnitt im Bohrloch wird mit einem entlüftbaren Packer abgesperrt. Die Durchflussmessung erfolgt magnetisch-induktiv und zur Kontrolle durch Hubzählung an der Doppelkolbenpumpe (Bild 8).

Der Verpressdruck wird hinter dem Statikmischer und vor Eintritt in das Bohrloch gemessen (Bilder 8 bis 10). Druckverluste in der Zuleitung und im Packer müssen gering gehalten werden und werden in getrennten Vorversuchen am offenen System gemessen (Bilder 8 bis 10).

In dem im Abschnitt 4.3 erläuterten Versuch wurde ein Acrylatgel mit einer Topfzeit, nach der die Gelbildung beginnt, von 5 Minuten verwendet. Nach 10 Minuten war die Endaushärtung abgeschlossen. Für die Abdichtungsinjektionen ist ein Acrylatgel mit einer Topfzeit von bis zu 30 Minuten vorgesehen.

4.3 Injektionsversuch Feuerbach

Vor Beginn der Verpressarbeiten im Tunnel Feuerbach wurde im Bereich der Linse 3 des Tunnels ein Injektionsversuch durchgeführt (siehe Bild 2). Der Versuch diente der Erprobung der Verpresstechnik, der Ermittlung der erforderlichen Abstände und Tiefen der Bohrungen sowie der Festlegung der erforderlichen Verpressdrücke und Mengen.

Der Tunnel liegt im Bereich des Versuchsfeldes in den Dunkelroten Mergeln. In Höhe der Firste steht ausgelaugter Gipskeuper an (Y-Y in Bild 11). Unterhalb der Sohle liegt der stärker durchlässige Bochinger Horizont. Vorgesehen ist hier, den Fels seitlich und unterhalb des Tunnels abzudichten. Das Versuchsfeld erstreckt sich auf den halben zu verpressenden Bereich, rechts der Tunnelachse (Bild 11) und auf vier Querschnitte mit insgesamt 37 Bohrungen, mit einem Abstand der Ansatzpunkte innerhalb eines Ringes von 1 m (Bild 11 und 12). Die Längen der Bohrungen betragen 6–10 m, die Bohrlochdurchmesser 51 mm. Die Abstände der vier Querschnitte, die in der Reihenfolge I bis IV verpresst wurden, betragen 1 m bzw. 2 m zwischen den Querschnitten II und III.

Die Injektionen wurden nach dem sogenannten Pilgerschrittverfahren in den drei Serien a bis c durchgeführt. Dabei wurde der Abstand der Ansatzpunkte der Bohrungen von 4 m (a-Serie) schrittweise auf 1 m (c-Serie) verringert (Bild 11 und 12). Der maximale effektive Verpressdruck wurde zu 5 bar gewählt. In Bild 11 sind die im Querschnitt I in den Fels verpressten Mengen getrennt für die beiden Verpressabschnitte jedes Bohrlochs in Litern je Meter Bohrlochlänge (l/m) dargestellt. Man erkennt, dass die größten Mengen über die Bohrlöcher der a-Serie und in den Bochinger Horizont verpresst wurden. Außerdem wird deutlich, dass die verpressten Mengen von den Bohrlöchern der a-Serie bis zur c-Serie abnehmen.

In Bild 13 wurden die mittleren Aufnahmemengen getrennt für die Querschnitte I bis IV dargestellt. Man erkennt, dass die Mengen von den zuerst verpressten Querschnitten I und II über den dazwischenliegenden Querschnitt III zu dem als letztes verpressten Querschnitt IV abnehmen. Aus der ebenfalls in Bild 13 enthaltenen Darstellung der mittleren Verpressmengen jeder Serie erkennt man, dass die vom Fels aufgenommenen Mengen von der Serie a bis zur Serie c ebenfalls deutlich geringer werden. Am geringsten sind die Aufnahmemengen für die Serie c in dem zuletzt verpressten Querschnitt IV. Somit war die gewählte Vorgehensweise nach dem Pilgerschrittverfahren erfolgreich.

4.4 Injektionen Bad Cannstatt

Zur Zeit laufen die „Injektionen Anhydrit“ in dem bereits aufgefahrenen Vortrieb 3B der Tunnel nach Bad Cannstatt. Die Acry­latgelinjektionen erfolgen hier in gleicher Weise, wie für den Tunnel nach Feuerbach beschrieben. Beispielhaft sind in Bild 14 die für den Abschnitt von Tunnelmeter 1549 bis 1605 über die a-, b- und c-Serie verpressten Mengen in Form eines Histogramms dargestellt. Man erkennt auch hier eine deutliche Abnahme der verpressten Menge von Serie zu Serie. Allerdings sind die vom Fels aufgenommene Mengen hier größer als im Versuchsfeld des Tunnels nach Feuerbach.