Tunnellast

Tunnellast bezeichnet alle Beanspruchungen, die auf einen Tunnel während Bau, Betrieb, Instandsetzung oder Rückbau einwirken. Sie umfasst das Wechselspiel aus Gebirge, Grund- und Bergwasser, Bauzuständen, Verkehr und Temperatur. Das präzise Verständnis dieser Lasten ist entscheidend für Planung, Ausführung und den sicheren Umgang mit Bauteilen und Materialien – vom Felsausbruch bis zum kontrollierten Betonabbruch. In der Praxis wirkt sich die Tunnellast direkt auf die Wahl der Ausbruchmethode und der Geräte aus, etwa bei Felsabbruch und Tunnelbau, bei Betonabbruch und Spezialrückbau oder bei der Entkernung und dem Schneiden. Werkzeuge wie Betonzangen oder Stein- und Betonspaltgeräte werden dort bevorzugt, wo eine erschütterungsarme Arbeitsweise Lastumlagerungen mindern und Querschnittssicherungen schützen soll.

Definition: Was versteht man unter Tunnellast

Unter Tunnellast versteht man die Gesamtheit der statischen und dynamischen Einwirkungen, die auf Auskleidung, Stützung und Ausbauteile eines Tunnels einwirken. Dazu zählen dauerhaft wirkende Lasten aus Gebirgsdruck und Überdeckung, veränderliche Lasten durch Verkehr, Wasserstände und Temperatur sowie außergewöhnliche Einwirkungen, etwa aus Bauzuständen, Erschütterungen oder Brand. Man unterscheidet typischerweise zwischen Lasten im Bauzustand (z. B. während Ausbruch und Sicherung) und Lasten im Endzustand (Betrieb). Das Lastniveau hängt vom geologischen Umfeld, der Überlagerung, der Bauweise (z. B. zyklischer Sprengvortrieb, Baggerausbruch, hydraulisches Spalten) und vom Ausbau (Spritzbeton, Tübbinge, Innenschale) ab.

Lastarten im Tunnelbau: dauerhaft, veränderlich und außergewöhnlich

Tunnellasten lassen sich nach Wirkdauer, Ursache und Richtung gliedern. Für die Bemessung werden sie zu Lastkombinationen zusammengeführt; für die Bauausführung sind ihre zeitlichen Verläufe und Umlagerungen entscheidend. Typische Kategorien sind:

• Dauerlasten: Eigengewicht der Auskleidung, Gebirgsdruck, Überlagerung, Langzeitverformungen (Kriechen/Schwinden), Setzungen.
• Hydraulische Einwirkungen: Grund- und Bergwasserdruck, Porenwasserdruck, Auftrieb, Druckschwankungen bei Ent- und Wiederverfüllungen.
• Veränderliche Lasten: Verkehrsbeanspruchungen (Straße, Bahn), aerodynamische Druckstöße, Temperatureinwirkungen, Wartungs- und Inspektionslasten.
• Außergewöhnliche Einwirkungen: Bauzustand (Teilausbruch, Teilring), Erschütterungen, Erdbeben, Brandbeanspruchung, lokale Stoßlasten.
• Bauteilinterne Effekte: Zwang aus Temperatur- und Feuchtegradienten, Schrumpf- und Hydratationswärme, Montagetoleranzen.

Je nach Bauverfahren können Lastpfade stark variieren. Beim zyklischen Vortrieb ist die frühe Tragwirkung der Spritzbetonschale maßgebend; bei Tübbingtunneln die ringweise Schließung und die Dichtfuge. Eine schubfeste Ringfuge reduziert Umlagerungen, während verzögerte Ringbildung höhere temporäre Verformungen zulassen kann.

Bemessung und Lastfallkombinationen

Für Tragwerksnachweise werden Einwirkungen zu maßgebenden Kombinationen zusammengefasst. Im Grenzzustand der Tragfähigkeit interessieren ungünstige Überlagerungen (z. B. hoher Gebirgsdruck und Wasserdruck), im Gebrauchszustand Verformungen, Risse und Dichtigkeit. Wichtig ist die Unterscheidung zwischen kurzfristigen Spitzenlasten und langzeitwirksamen Effekten. Die Nachweise sind projekt- und standortbezogen zu führen; die folgenden Punkte dienen ausschließlich der allgemeinen Orientierung:

1. Ermittlung der geotechnischen Parameter: Gebirgsklasse, Klüftigkeit, Überdeckung, Wasserstände, Permeabilität.
2. Definition der Bauphasen und Laststufen: Ausbruch, Vortriebssicherung, temporäre Stützen, Ring- oder Schalenbildung.
3. Kombinationen für Bau- und Endzustand: dauerhaft, häufig, quasi-ständig sowie außergewöhnlich (z. B. Brand, Erdbeben).
4. Bewertung von Zwang und Umlagerung: Temperatur, Schwinden, Setzungen, Bauteilfugen.
5. Monitoring und Anpassung: Messdaten zur Validierung der Annahmen, ggf. Anpassung der Sicherung.

Tunnellast im Bauzustand

Der Bauzustand ist für die Sicherheit zentral: Teilquerschnitte, offene Ringe und unvollständige Verbände führen zu Umlagerungen und Spitzenlasten. Die Stabilität hängt von der Reihenfolge der Arbeitsschritte ab, von der Firstsicherung bis zur Schließung des Tragquerschnitts.

Ausbruch, Firstsicherung und Spritzbeton

Spritzbeton, Gitterbögen, Anker und Stahlrippen bilden früh wirkende Sicherungen. Das Zeitfenster zwischen Ausbruch und Sicherung sollte kurz bleiben, damit Verformungen und Konvergenzen begrenzt werden. Die in dieser Phase anstehende Tunnellast ist stark zeitabhängig.

Einfluss der Ausbruchmethode

Sprengen, Baggern oder hydraulisches Spalten beeinflussen Erschütterungen und Lastumlagerungen. Stein- und Betonspaltgeräte werden eingesetzt, wenn Erschütterungen zu minimieren sind oder empfindliche Bauwerke in Nähe liegen. Sie erzeugen kontrollierte Rissbildung im Gestein oder Beton, was im Bauzustand eine lastarme Abtragung begünstigt.

Hydraulikaggregate und Systemabstimmung

Hydraulikaggregate liefern den notwendigen Druck für Spaltzylinder, Betonzangen und weitere Werkzeuge. Eine passende Abstimmung von Druck, Volumenstrom und Hubgeschwindigkeit unterstützt kontrollierte Lastpfade und verhindert Stoßlasten auf temporäre Sicherungen.

Tunnellast im Betrieb

Im Betrieb wirken vorwiegend Gebirge und Wasser, ergänzt durch Verkehrslasten und Temperatur. Aerodynamische Effekte (z. B. Druckwellen im Bahntunnel) können lokal maßgebend sein. Dauerhaftigkeit und Dichtheit stehen im Fokus, insbesondere bei wasserführenden Strecken und bei aggressivem Milieu.

Temperatur, Kriechen und Schwinden

Temperaturgradienten und Feuchtewechsel erzeugen Zwang, der zu Rissen führen kann. In Innenschalen wirken Kriechen und Schwinden langzeitlich; Fugenplanung und Nachbehandlung sind deshalb wichtig.

Brandlasten

Brandbeanspruchungen sind außergewöhnliche Einwirkungen, die hohe Temperaturspitzen, Abplatzungen und Festigkeitsverluste auslösen können. Materialwahl, Schutzschichten und Instandhaltungsstrategien berücksichtigen solche Szenarien allgemein-konzeptionell.

Einfluss von Gebirge, Überlagerung und Wasser

Geologie und Hydrologie bestimmen Art und Höhe der Tunnellast. Kluftwasser kann zusätzlichen Druck erzeugen, Karsthohlräume führen zu ungleichmäßiger Lagerung, weiches Gebirge zu Setzungen. Hohe Überdeckung erhöht den Gebirgsdruck; horizontale Spannungen sind in tektonisch vorbelasteten Zonen relevant.

Hartgestein, Weichgestein und Lockergestein

In Hartgestein dominiert die Stabilität der Kluftkörper und ihre Orientierung; in Weichgestein sind Zeit- und Kriecheinflüsse ausgeprägt. Lockergestein erfordert oft geschlossene oder eingefrorene Querschnitte und eine Wasserhaltung, um hydraulische Lasten zu steuern.

Monitoring und Beobachtungsmethode

Messungen begleiten Vortrieb, Ausbau und Betrieb. Ziel ist, Annahmen zu verifizieren, Lastpfade zu verstehen und Maßnahmen anzupassen. Typische Messgrößen sind:

• Konvergenz und Verschiebungen des Tunnelquerschnitts.
• Ankerkräfte, Dehnungen und Spannungen in Ausbauteilen.
• Grund- und Porenwasserdruck, Durchflussmengen.
• Temperatur und Feuchte in der Innenschale.
• Erschütterungen bei Abbruch- und Schneidarbeiten.

Tunnellast und kontrollierter Abbruch

Beim Rückbau oder bei Querschnittsanpassungen liegt häufig Restlast auf Bauteilen. Lokale Eingriffe verändern den Lastpfad; entsprechend sind Arbeitsfolge und Werkzeugwahl entscheidend. Ziel ist eine Abtragung mit geringem Erschütterungs- und Splitterrisiko, um angrenzende Bauzustände und Betriebseinrichtungen nicht zu gefährden.

Betonzangen im Tunnel

Betonzangen erlauben das greifende und scherende Lösen von Innenschalen, Randbögen und Stegen bei überschaubaren Querschnitten. Sie sind hilfreich, wenn Bewehrung zu berücksichtigen ist und wenn punktuelle Lasten auf temporäre Stützen zu begrenzen sind. In der Entkernung und beim Schneiden werden Leitungsbühnen, Kabelkanäle oder dünnwandige Einbauten vorab entfernt, um Lasten planbar umzuleiten.

Stein- und Betonspaltgeräte für Querschnittserweiterungen

Bei Querschnittsaufweitungen oder Nischen werden Spaltzylinder genutzt, um Fels oder Beton linienförmig zu öffnen. Das führt zu geringerem Erschütterungsniveau und reduziert das Risiko unerwünschter Lastumlagerungen. Im Felsabbruch und Tunnelbau lassen sich so bestehende Sicherungen schonen, etwa Spritzbetonbögen oder Ankerköpfe.

Kombischeren, Multi Cutters und Stahlscheren

Für Stahlprofile, Gitterbögen, Bewehrungen und Kabeltrassen kommen Kombischeren, Multi Cutters und Stahlscheren zum Einsatz. Sie trennen metallische Einbauten kontrolliert, wodurch ungewollte Impulslasten minimiert werden. Bei industriell genutzten Tunnelanlagen kann ein Tankschneider für die Demontage von Behältern und Rohrleitungen in Nischen und Querschlägen erforderlich sein.

Arbeitsfolgen, die Tunnellasten günstig beeinflussen

Eine lastarme Bau- oder Rückbauabfolge senkt Risiken. Bewährt haben sich:

• Schrittweises Arbeiten mit frühzeitiger Schließung von Tragquerschnitten.
• Vorentlastung durch Sägen, Bohren oder Spalten entlang geplanter Trennschnitte.
• Temporäre Abstützungen anbringen, bevor tragende Bauteile getrennt werden.
• Lastarme Werkzeugwahl (z. B. hydraulisches Spalten, greifendes Trennen mit Betonzangen).
• Kontinuierliches Monitoring und Anpassung der Maßnahmen.

Planungs- und Ausführungsaspekte

Die Planung der Tunnellast umfasst die Prognose der Einwirkungen, die Wahl des Bauverfahrens und die Festlegung von Sicherungen. In der Ausführung sind Logistik, Belüftung, Wasserhaltung und Notfallkonzepte zu berücksichtigen. Für Instandsetzung und Spezialrückbau gilt: Eingriffe in tragende Strukturen nur mit abgestimmter Abfolge und dokumentierten Zwischenzuständen. Hinweise dieser Art sind allgemein zu verstehen und ersetzen keine objektspezifische Berechnung oder Freigabe.

Begriffsabgrenzungen und typische Missverständnisse

„Tunnellast“ ist nicht synonym zum „Gebirgsdruck“: Sie umfasst darüber hinaus Wasser, Verkehr, Temperatur und außergewöhnliche Einwirkungen. Ebenso ist „Erschütterungsarm“ nicht gleich „lastfrei“: Auch sanfte Verfahren erzeugen lokale Spannungsänderungen, die in der Planung zu berücksichtigen sind. Das betrifft insbesondere Teilabbrüche und Anpassungen im Bestand.