Entwässerung bergmännischer Tunnel Draining ... - Bauverlag
Entwässerung bergmännischer Tunnel Draining ... - Bauverlag
Entwässerung bergmännischer Tunnel Draining ... - Bauverlag
Sie wollen auch ein ePaper? Erhöhen Sie die Reichweite Ihrer Titel.
YUMPU macht aus Druck-PDFs automatisch weboptimierte ePaper, die Google liebt.
<strong>Entwässerung</strong><br />
<strong>bergmännischer</strong><br />
<strong>Tunnel</strong><br />
J. D. Chabot<br />
Moderne <strong>Tunnel</strong>baumethoden erlauben einen<br />
präzisen Ausbruch. Gleichzeitig werden an<br />
<strong>Entwässerung</strong>ssysteme, um dauerhaft zu<br />
funktionieren, höhere Anforderungen gestellt.<br />
Verschiedene <strong>Entwässerung</strong>skonzepte,<br />
Aspekte zur Versinterungsverhinderung und<br />
Gewährleistung einer dauernden Dränage<br />
ohne Wasserdruckaufbau werden angeschnitten<br />
und beispielhaft die am Gotthard-<br />
Basistunnel gewählten Lösungen aufgezeigt.<br />
1 Einleitung<br />
Eine richtig konzipierte<br />
und eingesetzte Dränage ist<br />
bei den heute gestellten Anforderungen<br />
eine umweltfreundliche<br />
und wirtschaftliche<br />
Lösung zur Bergwasserentwässerung.<br />
In den letzten Jahrzehnten<br />
zeigte sich verstärkt die<br />
Bedeutung einer funktionierenden<br />
Dränage und Abdichtung<br />
in Untertagebauwerken.<br />
Frühere Bauwerke<br />
wiesen bautechnisch bedingt<br />
großzügige Dränagehohlräume<br />
hinter gemauerten<br />
Auskleidungen auf. Heutige<br />
Baumethoden erlauben<br />
einen präziseren Ausbruch,<br />
womit der verbleibende Dränageraum<br />
reduziert, dieser<br />
aber höher beansprucht<br />
wird.<br />
Dipl.-Bau-Ing. ETH/SIA<br />
Jan Dirk Chabot,<br />
Amberg Ingenieurbüro AG,<br />
Regensdorf-Watt/CH<br />
18 <strong>Tunnel</strong> 2/2002<br />
Die Dränageelemente<br />
müssen gleichzeitig einer<br />
drohenden Versinterung<br />
und Verstopfung durch aus<br />
dem Bergwasser ausgefällten<br />
Kalk trotzen können. Bei<br />
dränierten <strong>Tunnel</strong>n muss<br />
der drucklose Bergwasserabfluss<br />
dauernd sichergestellt<br />
sein, damit das Bauwerk<br />
nicht einem unvorgesehenen<br />
Wasserdruckaufbau ausgesetzt<br />
wird.<br />
2 <strong>Tunnel</strong>entwässerungs-<br />
und<br />
Abdichtungskonzepte<br />
Nachfolgend werden die<br />
im <strong>Tunnel</strong>bau gebräuchlichen<br />
Abdichtungs- und <strong>Tunnel</strong>entwässerungskonzepte<br />
beschrieben [1–5].<br />
Verdrängung<br />
(druckwasserhaltende<br />
<strong>Tunnel</strong>abdichtung)<br />
Bei einem druckwasserhaltenden<br />
<strong>Tunnel</strong> entfällt die<br />
Bergwasserentwässerung. Die-<br />
Schweiz<br />
Switzerland<br />
<strong>Draining</strong><br />
underground<br />
<strong>Tunnel</strong>s<br />
J. D. Chabot<br />
Modern tunnelling methods enable a precise<br />
excavation to be produced. At the same time,<br />
higher demands are placed on drainage<br />
systems to ensure they function on a permanent<br />
basis. Various drainage concepts,<br />
aspects designed to prevent sintering and<br />
how to assure permanent drainage without<br />
the build-up of water pressure are dealt with.<br />
Solutions selected for the Gotthard Base<br />
<strong>Tunnel</strong> are taken as examples.<br />
1 Introduction<br />
Given the demands placed<br />
today, a properly designed<br />
and applied drainage system<br />
represents an environmentally<br />
friendly and economic solution<br />
for tackling underground<br />
water.<br />
Over the last few decades,<br />
the significance of well functioning<br />
drainage and sealing<br />
for underground structures<br />
has become increasingly<br />
more evident. Due to the technical<br />
methods that were employed,<br />
structures built in earlier<br />
times possess generously<br />
dimensioned drainage cavities<br />
behind brickwork. Current<br />
construction methods cater<br />
for a more precise excavation<br />
so that although the remaining<br />
drainage space is reduced,<br />
it is called upon to fulfil more<br />
complex tasks.<br />
The drainage elements<br />
must be able to cope with the<br />
threat of sintering as well as<br />
clogging that results from the<br />
lime stemming from the underground<br />
water. In the case<br />
of drained tunnels, it must be<br />
ensured on a permanent basis<br />
that underground water is disposed<br />
of without the application<br />
of pressure so that the<br />
structure is not subjected to<br />
any unforeseen water pressure<br />
built-up.<br />
2 <strong>Tunnel</strong> Drainage<br />
and Sealing<br />
Concepts<br />
In the following, the sealing<br />
and tunnel draining concepts<br />
commonly used in tunnelling<br />
are described [1–5].<br />
No Drainage (complete<br />
sealing in a tunnel with<br />
water under pressure)<br />
Drainage is not necessary<br />
in a tunnel built to withstand<br />
water under pressure. This<br />
system with a total seal has so<br />
Dipl.-Bau-Ing. ETH/SIA<br />
Jan Dirk Chabot,<br />
Amberg Ingenieurbüro AG,<br />
Regensdorf-Watt/CH
ses System mit einer Rundumabdichtung<br />
wurde bisher<br />
bei <strong>Tunnel</strong>n mit Wasserspiegelüberlagerungen<br />
von 30 m<br />
angewandt; 60 m sind heute<br />
als oberer Grenzwert zu betrachten.<br />
Technisch sind<br />
höhere Wasserdrücke möglich,<br />
aber der Abdichtungsaufwand<br />
sowie die erforderliche<br />
Stützkraft der Verkleidung<br />
steigt beträchtlich.<br />
Aus Erfahrung empfiehlt<br />
es sich aber, auch bei einer<br />
sorgfältig konzipierten und<br />
ausgeführten Rundumabdichtung<br />
Vorrichtungen zur<br />
nachträglichen Verdrängung<br />
und/oder zur Ableitung von<br />
allfälligem Leckwasser vorzusehen<br />
(Rückfallebene) [6].<br />
Teilweise Ableitung<br />
(Teilentspannung)<br />
Teilweise Verdrängung<br />
herrscht vor, wenn Bergwasser<br />
aufgestaut wird und nicht<br />
mehr drucklos abfließen<br />
kann, z. B. bei:<br />
■ Druckhaltendem <strong>Tunnel</strong><br />
mit Wasserdruckbegrenzung.<br />
Bergwasser eines druckhaltenden<br />
<strong>Tunnel</strong>s wird verdrängt<br />
und ab einem bestimmten,<br />
definierten Wasserdruck<br />
entlastet. Mit der<br />
Begrenzung des Wasserdrucks<br />
kann im Vergleich zu<br />
einer drucklosen Dränage<br />
die Wasserentnahme aus<br />
dem umliegenden Gebirge je<br />
nach Geologie und Hydrologie<br />
erheblich reduziert werden<br />
[7].<br />
■ Ableitendem <strong>Tunnel</strong>, welcher<br />
wegen behindertem<br />
drucklosem Bergwasserabfluss<br />
lokal leicht druckhaltend<br />
wird.<br />
Wegen fehlender, zu selten<br />
vorgesehener bzw. verstopfter<br />
oder zugesinterter<br />
Dränageeinrichtungen im<br />
primären oder sekundären<br />
<strong>Entwässerung</strong>ssystem kann<br />
es bei einem ableitend konzipierten<br />
<strong>Tunnel</strong> zu lokalen<br />
Wasserrückstaus kommen,<br />
<strong>Tunnel</strong>entwässerung<br />
<strong>Tunnel</strong> Drainage<br />
1 Starke Versinterungen im Gewölbedränagerohr nach 6 Monaten,<br />
beschleunigt durch Spritzbetonauslaugung<br />
1 Pronounced sintering in the vault drainage pipe after 6 months –<br />
speeded up through shotcrete leaching<br />
und daraus resultieren meist<br />
geringe Wasserdrücke. Die<br />
Situation verschlimmert sich<br />
bei falscher Platzierung der<br />
Leitung, wo Bergwasser nur<br />
noch unter einem Wasserdruckaufbau<br />
in die Gewölbedränageleitung<br />
gelangen<br />
kann. Gleiches gilt bei unterdimensioniertenRohr-Eintrittsöffnungen<br />
oder dann,<br />
wenn die Abdichtungsunterlage<br />
eine unzureichende<br />
Dränagefunktion aufweist<br />
(z. B. verstopfte Geotextilien)<br />
[8].<br />
Ableitender <strong>Tunnel</strong><br />
(dränierter <strong>Tunnel</strong> mit<br />
drucklosem Wasserabfluss)<br />
Bei sehr hohen Überlagerungen<br />
und entsprechend hohem<br />
Bergwasserdruck kann<br />
aus wirtschaftlichen und<br />
praktischen Gründen nur<br />
noch ein dränierter <strong>Tunnel</strong><br />
den statischen Anforderungen<br />
genügen. Dies gilt sinngemäß<br />
aber auch bei geringeren<br />
Überlagerungen mit<br />
geringem bis sehr geringem<br />
Bergwasseranfall. Ein allfällig<br />
erhöhter Wasserandrang<br />
kann während des Vortriebs<br />
mit Injektionen reduziert<br />
werden.<br />
far been used for tunnels with<br />
water tables located more<br />
than 30 m above the tunnel;<br />
nowadays 60 m is regarded as<br />
the upper limit. Technically<br />
speaking, higher water pressures<br />
are feasible although in<br />
such cases, the sealing and<br />
the support strength requirements<br />
posed on the lining rise<br />
considerably.<br />
Experience has shown,<br />
however, that drainage has to<br />
be provided for leakage water,<br />
which may penetrate even the<br />
most carefully designed and<br />
executed all-round seal [6].<br />
Partial drainage<br />
(partial stress relief)<br />
Partial drainage is applied<br />
should the underground water<br />
dam up so that it can no<br />
longer flow off pressurelessly,<br />
e.g. in the case of:<br />
■ Pressure-retentive tunnels<br />
with water pressure restriction.<br />
■ The underground water of a<br />
particular tunnel is displaced<br />
and relieved as from a certain,<br />
defined water pressure. By restricting<br />
the water pressure,<br />
the extraction of water can be<br />
substantially reduced depending<br />
on the geology and<br />
hydrology in comparison with<br />
pressureless drainage [7].<br />
■ Drained tunnel, which is<br />
slightly subjected to pressure<br />
locally on account of the fact<br />
that the flow of underground<br />
water is obstructed.<br />
In a tunnel devised with a<br />
drainage system, water can<br />
dam up locally resulting in<br />
what are usually low water<br />
pressures should there be a<br />
lack of drainage installations<br />
in the primary or secondary<br />
drainage system or should<br />
these be inadequate, blocked<br />
or clogged with deposits. The<br />
situation is exacerbated if the<br />
line is laid in the wrong position<br />
so that underground water<br />
can only reach the vault<br />
drainage line if water pressure<br />
builds up. The same applies if<br />
the pipe inlet openings are inadequately<br />
dimensioned or<br />
should the sealing underlay<br />
be unable to function properly<br />
(e.g. clogged up geo-textiles)<br />
[8].<br />
Drained tunnel (pressureless<br />
water drainage)<br />
In the event of extremely<br />
high water overburdens and<br />
correspondingly high underground<br />
water pressure, possibly<br />
only a drained tunnel can<br />
comply with the static requirements<br />
for both economic and<br />
practical reasons. This also essentially<br />
applies in the case of<br />
smaller overburdens with<br />
slight to very slight underground<br />
water incidence.<br />
Grouting can reduce any water<br />
inflow during tunnel heading.<br />
Permanent pressureless<br />
underground water removal<br />
must be assured throughout<br />
the tunnel’s entire service life<br />
for both the primary and secondary<br />
drainage elements.<br />
Should it be possible to<br />
comply with this strict demand<br />
then the tunnel roof<br />
does not essentially need to<br />
be dimensioned for water<br />
pressure. If need be, the floor<br />
can be flat.<br />
<strong>Tunnel</strong> 2/2002 19
Eine dauerhafte drucklose<br />
Bergwasserableitung des<br />
anfallenden Bergwassers muss<br />
sowohl bei den primären als<br />
auch bei den sekundären<br />
<strong>Entwässerung</strong>selementen<br />
über die gesamte Nutzungsdauer<br />
sichergestellt sein.<br />
Kann diese strenge Forderung<br />
erfüllt werden, muss<br />
das <strong>Tunnel</strong>gewölbe prinzipiell<br />
nicht auf Wasserdruck bemessen<br />
werden. Die Sohle<br />
kann bei Bedarf flach ausgebildet<br />
werden.<br />
Kann diese Forderung<br />
aber auf Dauer nicht gewährleistet<br />
werden, ist mit<br />
einem lokalen Druckaufbau<br />
vorzugsweise unter der Sohle<br />
oder im Widerlagerbereich<br />
zu rechnen.<br />
Mischkonzepte<br />
Längere <strong>Tunnel</strong>bauwerke<br />
können sowohl durch „weitgehend“<br />
trockene als auch<br />
Wasser führende Zonen führen.<br />
Die Längenverhältnisse<br />
der verschiedenen Bereiche<br />
bestimmen, ob sich in diesem<br />
Fall Mischkonzepte lohnen.<br />
Die <strong>Tunnel</strong>abdichtung<br />
kann in Zonen ohne drückendes<br />
Bergwasser bzw. bei<br />
sehr geringen Gebirgsdurchlässigkeiten<br />
vereinfacht ausgeführt<br />
werden. Die Übergänge<br />
zwischen druckhaltenden<br />
und dränierten Bereichen<br />
sind zur Vermeidung<br />
von Umläufigkeiten sorgfältig<br />
zu planen und auszuführen.<br />
20 <strong>Tunnel</strong> 2/2002<br />
3 Wasserableitungssysteme<br />
Ein <strong>Entwässerung</strong>ssystem<br />
für Berg- und Betriebswässer<br />
aus dem <strong>Tunnel</strong>innenraum<br />
(inkl. Havarieflüssigkeiten)<br />
wird heute üblicherweise<br />
als Trennsystem<br />
ausgeführt. Damit bleibt das<br />
Bergwasser unbelastet von<br />
möglichen Verunreinigungen<br />
durch Fahrzeuge oder<br />
Transportgut [9]. Die Leitung<br />
und die Schächte des Trennsystems<br />
sind für einen Havariefall<br />
zu optimieren. So<br />
kann beispielsweise durch<br />
ein rasches Ableiten der<br />
brennbaren Flüssigkeiten in<br />
einem Havariefall der Brandherd<br />
räumlich begrenzt werden<br />
(z. B. mit Schlitzrinnen<br />
in Straßentunneln).<br />
4 Bergwasser-<br />
<strong>Entwässerung</strong>ssysteme<br />
Das <strong>Entwässerung</strong>ssystem<br />
eines ableitenden <strong>Tunnel</strong>s<br />
dient der dauernden,<br />
drucklosen Ableitung des im<br />
<strong>Tunnel</strong> anfallenden Bergwassers.<br />
Es kann zwischen<br />
den folgenden zwei Systemen<br />
unterschieden werden:<br />
Im primären <strong>Entwässerung</strong>ssystem<br />
wird das Bergwasser<br />
neben den direkten<br />
Fassungen mit Dräns oder<br />
Rohren auch flächig zwischen<br />
Spritzbetonsicherung<br />
und Abdichtung gefasst und<br />
Tabelle: Elemente des primären <strong>Entwässerung</strong>ssystems<br />
Element Funktion<br />
Flexible Halbschalen Fassung einzelner Tropfstellen<br />
(Vorabdichtung)<br />
Noppenbahnen (flächig/Streifen) Wasserableitung bei Feuchtstellen oder<br />
Kluftscharen<br />
Vliese, Dränagematten, Noppen- Schutzschicht einer Abdichtung, flächige<br />
platten oder Kunststoffgitter Dränageschicht mit stark unterschiedlichen<br />
Transmissivitäten im eingebauten<br />
Zustand!<br />
Rohre (ø > 150 mm) Fassung einzelner Quellen<br />
Sickerpackung Dränagezone oberhalb Einläufe<br />
Dränagerohr<br />
Schweiz<br />
Switzerland<br />
Should it not be possible to<br />
guarantee this requirement in<br />
the long term then a local<br />
build-up of pressure under the<br />
floor or in the abutment zone<br />
is likely.<br />
Mixed systems<br />
Longer tunnel structures<br />
can pass through “extensive”<br />
dry as well as water-bearing<br />
zones. The extent of the various<br />
zones determines whether<br />
a mixed concept is worthwhile<br />
in such a case. The tunnel<br />
seal can be designed in a<br />
more straightforward manner<br />
in zones without any pressurised<br />
underground water or<br />
given extremely slight rock<br />
permeabilities. The changeovers<br />
between pressure-retentive<br />
and drained sections<br />
have to be carefully planned<br />
and executed to avoid seepages.<br />
3 Water Drainage<br />
Systems<br />
Nowadays, a drainage system<br />
for underground and industrial<br />
water from the tunnel<br />
interior (including the accidental<br />
release of fluids) is designed<br />
as a separation system.<br />
In this way, the underground<br />
water remains uncontaminated<br />
by possible impurities<br />
stemming from vehicles<br />
or transported material [9].<br />
The line and the shafts of the<br />
separation system must be<br />
optimized to cope with any<br />
accidentally released fluids.<br />
Thus for example, speedy<br />
drainage of combustible fluids<br />
resulting from accident or<br />
damage can ensure that the<br />
seat of the fire is confined (e.g.<br />
by means of slotted channels<br />
in road tunnels).<br />
4 Underground<br />
Water Drainage<br />
Systems<br />
Table: Elements of the primary drainage system<br />
The tunnel drainage system<br />
serves to dispose of the<br />
ingressing underground water<br />
pressurelessly on a permanent<br />
basis. A distinction has to<br />
be drawn between the following<br />
two systems:<br />
In the primary drainage<br />
system, the water is also collected<br />
on the surface between<br />
the shotcrete lining and<br />
the seal and conveyed to the<br />
crown drainage line along<br />
with the direct catchment system<br />
involving drains or pipes.<br />
The primary drainage system<br />
consists of the elements<br />
contained in the Table.<br />
The elements of the primary<br />
drainage system are no<br />
longer accessible once they<br />
have been installed and consequently<br />
cannot be maintained.<br />
As a consequence,<br />
generous reserves have to be<br />
taken into account at the planning<br />
stage.<br />
The secondary drainage<br />
system includes the vault and<br />
floor drainage, spot piping, the<br />
Element Function<br />
Flexible half-pipes collecting individual seepage points<br />
(advance seal)<br />
Air-gap membranes<br />
(surfacing/strips)<br />
remove water at damp spots or joints<br />
Geo-textiles, drainage protective layer for a seal, surface<br />
drainage layer<br />
mats, air-gap membranes or with greatly varying transmissivities once<br />
plastic gratings installed!<br />
Pipes (Ø > 150 mm) collection of individual sources<br />
Dry pack drainage zone above drainage pipe inlets
der Gewölbedränageleitung<br />
zugeführt.<br />
Das primäre <strong>Entwässerung</strong>ssystem<br />
umfasst die in<br />
der Tabelle aufgeführten Elemente.<br />
Die Elemente des primären<br />
<strong>Entwässerung</strong>ssystems<br />
sind nach dem Einbau nicht<br />
mehr zugänglich und können<br />
deshalb nicht unterhalten<br />
werden. Sie müssen mit<br />
großzügigen Reserven geplant<br />
werden.<br />
Zum sekundären <strong>Entwässerung</strong>ssystem<br />
gehören die<br />
Gewölbedränage, Sohlendränagen,<br />
Stichleitungen,<br />
die Hauptdränage sowie alle<br />
dazugehörigen Schächte<br />
und Nischen. Diese Elemente<br />
sind im Allgemeinen zugänglich.<br />
Gewölbedränagen<br />
sollten einen Mindestdurchmesser<br />
von ≥ 200 mm aufweisen,<br />
damit sich ankündigende<br />
Verstopfungen infolge<br />
Versinterungen auch bei längeren<br />
Reinigungsintervallen<br />
rationell und sicher entfernen<br />
lassen.<br />
Alle Elemente des sekundären<strong>Tunnel</strong>entwässerungssystems<br />
müssen jederzeit<br />
und in geeigneter Weise zugänglich<br />
sein. Andernfalls<br />
kann der Unterhaltungsdienst<br />
mit seinen Geräten<br />
die Gewölbedränage nicht<br />
genügend reinigen.<br />
5 Versinterungen<br />
durch Bergwasser<br />
Die Versinterungstendenz<br />
durch das Bergwasser<br />
in Dränageeinrichtungen<br />
hängt von der Art des zuströmenden<br />
Bergwassers ab. Bei<br />
zu Ablagerungen führendem<br />
Bergwasser handelt es sich<br />
entweder um natürliches,<br />
kalkübersättigtes oder um<br />
durch Zementkontakt alkalisch<br />
gewordenes Bergwasser,<br />
das zusätzlich Kalk aus<br />
dem Zement herausgelöst<br />
hat [10].<br />
<strong>Tunnel</strong>entwässerung<br />
<strong>Tunnel</strong> Drainage<br />
2 Gewölbedränagerohr mit grobkörniger Sickerpackung und Härtestabilisationssteinen<br />
2 Vault drainage pipe with coarse grained dry pack and hardness<br />
stabilisation stones<br />
Versinterungen durch<br />
natürliches Bergwasser<br />
Calciumgesättigte Bergwässer<br />
lagern im Dränagesystem<br />
Calcium in Funktion<br />
von Druck-, pH-Wert und<br />
Temperatur ab (Kalk-Kohlensäure-Gleichgewicht).Calciumgesättigtes<br />
Bergwasser<br />
verliert ca. 5–10 % seines Gesamtkalkgehaltes<br />
in den <strong>Entwässerung</strong>sleitungen,<br />
die Versinterungsrate<br />
ist mehr oder<br />
weniger konstant. Dies gilt<br />
v. a. für Bergwässer aus Kalkund<br />
Mergelschichten, aber<br />
auch aus der Molasse [11].<br />
Versinterungen infolge<br />
Zementkontakt<br />
Auf dem Weg von der Wasser<br />
führenden Felskluft bis<br />
zum <strong>Tunnel</strong>inneren wird<br />
Bergwasser einem intensiven<br />
Kontakt mit zementhaltigen<br />
Baustoffen ausgesetzt.<br />
Oft wird der ursprünglich<br />
neutrale pH-Wert des Bergwassers<br />
in den stark basischen<br />
Bereich verschoben.<br />
Dabei werden Calciumhydroxid<br />
aus dem Zementstein<br />
main drainage as well as all related<br />
shafts and bays. These<br />
elements are usually accessible.<br />
Vault drainages should be<br />
at least ≥ 200 in diameter so<br />
that any blockages resulting<br />
from sintering can be removed<br />
rationally and safely<br />
even should lengthy cleaning<br />
intervals be involved.<br />
All the secondary tunnel<br />
drainage system elements have<br />
to be accessible at any given<br />
time. Otherwise the maintenance<br />
service will be unable<br />
to apply its equipment properly<br />
to clean the vault drainage.<br />
5 Sintering caused<br />
by Underground<br />
Water<br />
The tendency towards sintering<br />
depends on the type of<br />
ingressing water. Underground<br />
water that causes deposits<br />
is either naturally oversaturated<br />
with lime or water<br />
that turns alkaline in contact<br />
with concrete thus drawing<br />
additional lime from the cement<br />
[10].<br />
Sintering through natural<br />
underground water<br />
Calcium-saturated underground<br />
water deposits calcium<br />
in the drainage system as<br />
a function of pressure, pH-value<br />
and temperature (lime –<br />
carbonic acid equilibrium).<br />
Calcium-saturated underground<br />
water loses approx. 5–10 % of<br />
its total lime content in the<br />
drainage system; the sintering<br />
rate is more or less constant.<br />
This applies principally to underground<br />
water originating<br />
from lime and marl layers as<br />
well as from Molasse [11].<br />
Sintering through contact<br />
with cement<br />
Underground water is subjected<br />
to intensive contact<br />
with substances containing<br />
cement on its way from the<br />
water-bearing rock fissure to<br />
the interior of the tunnel. Often,<br />
the original neutral pHvalue<br />
of the water is transformed<br />
into the high basic<br />
range. In the process, calcium<br />
hydroxide is released from the<br />
cement paste and sodium aluminium<br />
carbonate from the<br />
accelerators and the lime content<br />
of the water increased.<br />
Raising the pH-value from the<br />
original 6–8 to in excess of 10–<br />
11 leads to the complete precipitation<br />
of the calcium dissolved<br />
in the underground<br />
water (alteration in the lime –<br />
carbonic acid equilibrium).<br />
Low amounts of water and<br />
long flow sections lead to protracted<br />
contact times with the<br />
underground water and thus<br />
increase the tendency towards<br />
deposits.<br />
In addition, blocked dry<br />
packs around the drainage<br />
pipes can scarcely be regenerated<br />
[13]. Should such damage<br />
occur over longer sections,<br />
an increase in water<br />
pressure has to be anticipated,<br />
which can only be counteracted<br />
through symptom relief<br />
measures such as pres-<br />
<strong>Tunnel</strong> 2/2002 21
und Natrium-Aluminiumkarbonate<br />
aus den Abbindebeschleunigern<br />
gelöst und<br />
der Kalkgehalt des Wassers<br />
erhöht. Diese Erhöhung des<br />
pH-Werts von ursprünglich 6<br />
bis 8 auf über 10 bis 11 führt<br />
zur vollständigen Ausfällung<br />
des im Bergwasser gelösten<br />
Calciums (Änderung des<br />
Kalk-Kohlensäure-Gleichgewichts)<br />
[12].<br />
Geringe Wassermengen<br />
und lange Fließstrecken bewirken<br />
lange Kontaktzeiten<br />
des Bergwassers und verstärken<br />
damit deren Ablagerungsneigung.<br />
Einmal verstopfte Sickerpackungen<br />
um die Dränagerohre<br />
lassen sich zudem<br />
kaum mehr regenerieren<br />
[13]. Tritt dieser Schaden<br />
über längere Abschnitte auf,<br />
muss mit einem Ansteigen<br />
des Wasserdrucks gerechnet<br />
werden, der nur noch mittels<br />
Symptombekämpfung wie<br />
Entlastungsbohrungen oder<br />
Ableitbleche für Leckstellen<br />
reduziert werden kann.<br />
Die klassischen Methoden<br />
im Umgang mit Versinterungen<br />
sind dann:<br />
■ Periodische Reinigung<br />
■ Bereithalten großer Querschnittsreserven<br />
■ Siphonierung der Dränageleitungen<br />
Die ersten beiden Methoden<br />
beeinflussen den Versinterungsvorgang<br />
nicht. Die<br />
letztere Methode funktioniert<br />
lediglich bei einem ausgewogenenKalk-Kohlensäure-Gleichgewicht<br />
und bei<br />
eher geringer Bergwasserüberlagerung.<br />
Härtestabilisierung<br />
Mittels Härtestabilisator,<br />
welcher in kleinen, dosierten<br />
Mengen (ca. 1,5–5 ppm) in<br />
das <strong>Entwässerung</strong>ssystem<br />
tropft bzw. in fester Form in<br />
die Sickerpackung integriert<br />
wird, können harte Kalkablagerungen<br />
oder Verstopfun-<br />
22 <strong>Tunnel</strong> 2/2002<br />
Schweiz<br />
Switzerland<br />
1 Profilgenauer Ausbruch.<br />
2 Sicherung mittels Nassspritzbeton.<br />
3 Fassung von Feucht- und Tropfstellen mit stabilen Halbschalen<br />
mit großem Querschnitt, welche direkt mit Spritzbeton<br />
eingespritzt werden können.<br />
4 Es sind auch aus arbeitshygienischen Gründen alkalifreie<br />
Spritzbetonbeschleuniger vorgesehen. Dadurch wird auch<br />
die Auslaugungsneigung des Spritzbetons reduziert.<br />
5 Zusätzliche Noppenbahnstreifen in Längs- und Querrichtung<br />
stellen Wasserwege sicher, auch wenn die Abdichtungsschutzunterlage<br />
infolge Kompression durch Gebirgsauflasten<br />
oder Verstopfung und/oder Versinterung an Dränageleistung<br />
einbüßt. Noppenbahnstreifen unter der Ortbetonsohle<br />
in Längs- und Querrichtung verhindern einen<br />
Wasserdruckaufbau in der Sohle.<br />
6 Ableitung eintretendes Tropfwasser.<br />
7+8 Die Abdichtungsschutzunterlage muss eine erhöhte Dränageleistung<br />
auch unter hohem Druck und hohen Temperaturen<br />
während Jahrzehnten aufweisen. Diese wurden im<br />
System mit den Abdichtungsbahnen umfangreichen Eignungstests<br />
unterworfen.<br />
9 Unbewehrtes Innengewölbe<br />
10 Gewölbedränagerohre aus HDPE mit einem Durchmesser<br />
von 200 mm und 150 cm 2 /lfd. m Einlauffläche mit 10 mm<br />
breiten Einlaufschlitzen. Ein systematischer Einsatz der<br />
Härtestabilisation ist eingeplant.<br />
11 Die Hauptdränage besteht aus einem HDPE-Rohr NW 600.<br />
Polyäthylen ist außerordentlich beständig gegen saure<br />
und alkalische Medien und besonders bei Ausschluss der<br />
Verwendung von PE-Rezyklat schlagunempfindlich. Im<br />
Scheitel sind zum Schutz gegen Beulen der Leitung zusätzliche<br />
Einlauföffnungen vorgesehen.<br />
12,14,15 Alle 100 m befindet sich je Bankettseite ein luftdicht verschlossener<br />
Gewölbe- und in der <strong>Tunnel</strong>mitte ein Hauptdränageschacht.<br />
Bei jedem Gewölbedränageschacht ist<br />
eine Ableitung in die Hauptdränage vorgesehen. Die Ableitungen<br />
werden aber über fallweise verschlossene Einleitungen<br />
so geregelt, dass in der Gewölbedränage eine<br />
Rohrfüllung von etwa einem Drittel erreicht wird. Durch<br />
dieses Durchlaufprinzip lässt sich die Versinterungstendenz<br />
weiter reduzieren. Hinzudosierter Härtestabilisator<br />
kann auf einer wesentlich längeren Leitungsstrecke wirken.<br />
13 Leitung für Schmutzwasser und Havarieflüssigkeiten.<br />
16 Sickerpackung aus aufbereitetem, gerundetem und gewaschenem<br />
Ausbruchmaterial, Korngröße 16 bis 22 mm,<br />
ohne Zementzusatz. In die Sickerpackung werden zur Verhinderung<br />
der Versinterungsbildung v. a. aus Spritzbetonauslagerung<br />
Härtestabilisationstabletten gemischt.<br />
3 Schema Maßnahmen <strong>Entwässerung</strong>en Gotthard-Basistunnel<br />
3 Drainage measures for the Gotthard Base <strong>Tunnel</strong><br />
1 Exact excavation<br />
2 Lining with wet shotcrete<br />
3 Damp and seepage spots collected by large-diameter halfpipes,<br />
which can be directly grouted with shotcrete<br />
4 Non-alkaline accelerators are to be used for industrial<br />
safety reasons. In this way, the shotcrete’s tendency to<br />
leach will also be reduced.<br />
5 Additional air-gap membrane strips will secure waterways<br />
in a longitudinal and crossways direction even if the<br />
drainage performance of the seal protective base is diminished<br />
on account of compression caused by overburden<br />
load or blockages and/or sintering. Air-gap membrane<br />
strips beneath the in situ concrete floor in a longitudinal<br />
and crosswise direction prevent water pressure build-up<br />
in the floor.<br />
6 Removing ingressing seepage water<br />
7 + 8 The seal protective underlayer must enhance the drainage<br />
performance for decades on end even in the event of high<br />
pressure and temperatures. It was subjected to extensive<br />
suitability tests in the system with the sealing membranes.<br />
9 Unreinforced inner vault<br />
10 Vault drainage pipes made of HDPE with a 200 mm diameter<br />
and 150-cm 2 intake area with 100 mm wide inlet slots.<br />
Systematic application of the hardness stabilization has<br />
been taken into account.<br />
11 The main drainage comprises a NW 600 HDPE pipe. Polyethylene<br />
is enormously resistant to acidic and alkaline<br />
media and particularly unsusceptible to impact especially<br />
as the use of PE re-cyclate is excluded. Additional intake<br />
openings are foreseen in the crown to protect the line<br />
from bulging.<br />
12, 14, 15 Every 100 m, an airtight closed vault shaft is located at<br />
each side of the bench and there is a main drainage shaft<br />
in the middle of the tunnel. The outlets are regulated by<br />
closable inlet pipes in such a way that roughly a 1/3rd pipe<br />
filling is achieved in the vault drainage. This circulation<br />
principle enables the sintering tendency to be reduced<br />
even further. Hardness stabilizer that is added ensures a<br />
considerably longer line section.<br />
13 Line for waste water and accidentally released fluids.<br />
16 Dry pack comprising prepared, rounded and washed<br />
muck, grain size 16–22 mm without added cement. Hardness<br />
stabilization tablets are mixed in the dry packs to<br />
prevent the incidence of sintering especially through shotcrete<br />
deposits.
gen von Rohren verhindert<br />
werden. Die Calcit-Moleküle<br />
werden an ihrem Zusammenwachsen<br />
gehindert, zudem<br />
werden sie im Wasser in<br />
Schwebe gehalten. Dieser Effekt<br />
ist physikalischer Natur.<br />
Die Produkte auf Polyamidbasis<br />
sind der Wassergefährdungsklasse<br />
0 zugeteilt. Das<br />
Verfahren hat sich bei zahlreichen<br />
Untertagbauwerken<br />
bewährt. Da der Kalk im<br />
Wasser „stabilisiert“ wird,<br />
fällt kein oder nur wenig<br />
gelöster Kalk aus, das Wasser<br />
bleibt bis zum Portal hart<br />
[10], [12].<br />
Die Intervalle der Reinigungsarbeiten<br />
in <strong>Entwässerung</strong>ssystemen<br />
können deutlich<br />
vergrößert werden, was<br />
die Unterhaltungskosten des<br />
<strong>Entwässerung</strong>ssystems senkt.<br />
6 Vorgesehene<br />
Maßnahmen am<br />
Beispiel Gotthard-<br />
Basistunnel<br />
<strong>Tunnel</strong>entwässerung<br />
<strong>Tunnel</strong> Drainage<br />
Die Bauherren der beiden<br />
alpenquerenden Eisenbahn-<br />
Basistunnel am Lötschberg<br />
und Gotthard erkannten den<br />
Handlungsbedarf für eine<br />
dauerhafte Gebrauchstauglichkeit<br />
der <strong>Tunnel</strong>-<strong>Entwässerung</strong>ssysteme.<br />
Infolge der<br />
Gebirgsüberlagerung von bis<br />
über 2300 m über der <strong>Tunnel</strong>achse<br />
bei meist geringen<br />
Gesteinsdurchlässigkeiten<br />
wird z. B. der 57 km lange, 2röhrigeGotthard-Basistunnel<br />
als dränierter <strong>Tunnel</strong><br />
konzipiert (Ausnahme: Injektionen<br />
bei hohem Wasseranfall)<br />
[14]. Es sind folgende<br />
Maßnahmen zur Gewährlei-<br />
sure relief bores or deflector<br />
plates for leaks.<br />
The classical methods designed<br />
to avoid sintering are<br />
thus:<br />
■ Periodic cleaning<br />
■ Maintaining large crosssectional<br />
reserves<br />
■ Siphoning drainage lines<br />
The first two methods do<br />
not influence the sintering<br />
process. The third method<br />
only functions in the event of a<br />
balanced lime – carbonic acid<br />
equilibrium and if the underground<br />
water overburden is<br />
relatively slight.<br />
Hardness stabilization<br />
It is possible to prevent<br />
lime deposits or the clogging<br />
of pipes by means of hardness<br />
stabilizers, introduced into the<br />
drainage system in small,<br />
dosed quantities (roughly 1.5–<br />
5 ppm) or in solid form in the<br />
dry pack.The calcite molecules<br />
are prevented from combining<br />
together; furthermore they are<br />
kept suspended in the water.<br />
This effect is of a physical nature.<br />
These polyamide base<br />
products are allocated to water<br />
tolerance class 0. This<br />
method has proved itself for<br />
numerous underground projects.As<br />
the lime in the water is<br />
“stabilised”, no or only a little<br />
lime is precipitated, and the<br />
water remains hard up until the<br />
portal [10], [12].<br />
The intervals between<br />
cleaning jobs in the drainage<br />
system can be substantially<br />
increased, something that reduces<br />
the maintenance costs<br />
for the drainage system.<br />
<strong>Tunnel</strong> 2/2002 23
stung der dauerhaften<br />
drucklosen Bergwasserableitung<br />
vorgesehen (siehe<br />
auch Bild 3).<br />
7 Ausblick<br />
Heute sind sich sowohl<br />
Planer als auch Auftraggeber<br />
des Problems der dauerhaft<br />
funktionierenden <strong>Tunnel</strong>entwässerung<br />
bewusst.<br />
Schon in den ersten Planungsphasen<br />
muss für jedes<br />
<strong>Tunnel</strong>bauwerk mit seinen<br />
speziellen Randbedingungen<br />
ein Gesamtkonzept für<br />
die <strong>Tunnel</strong>entwässerung erarbeitet<br />
werden. Die Zusammenarbeit<br />
ist zwischen den<br />
Planern des Rohbaus und<br />
den Unterhaltungsabteilungen<br />
zwingend weiter zu intensivieren.<br />
Die Planungsseite<br />
kann auf diese Weise<br />
von den Erfahrungen der<br />
Unterhaltungsdienste profitieren<br />
und der Unterhaltungsdienst<br />
kann andererseits<br />
seine spezifischen Anliegen<br />
früher und zielgerichteter<br />
ins Projekt einbringen.<br />
Literatur<br />
[1] Kirschke, D.: Neue Tendenzen bei<br />
der Dränage und Abdichtung bergmännisch<br />
aufgefahrener <strong>Tunnel</strong>.<br />
Bautechnik Nr. 74, Heft 1, 1997<br />
[2] Reik, G.: Der <strong>Tunnel</strong> als Dränagerohr,<br />
wechselseitige Beeinflussung<br />
von <strong>Tunnel</strong> und Gebirge. Technische<br />
Universität Clausthal, Fachveranstaltung<br />
Abdichtungen im <strong>Tunnel</strong>bau<br />
vom 18. 11. 1998 im VSH Sargans<br />
[3] Kirschke, D.: Der undränierte<br />
<strong>Tunnel</strong> als Beitrag zum Umweltschutz.<br />
Bauingenieur, Heft 12, 1998<br />
[4] Naumann, J., Schockermöhle, B.:<br />
Abdichtungs- und <strong>Entwässerung</strong>skonzepte<br />
bei <strong>Tunnel</strong>bauten, <strong>Tunnel</strong>technologien<br />
für die Zukunftsaufgaben<br />
in Europa, Balkema Rotterdam,<br />
März 1999<br />
[5] Amberg, F., Sala, A.: Vergleich<br />
konventioneller Vortrieb/TBM-Vortrieb<br />
für <strong>Tunnel</strong> mit großem Querschnitt<br />
Straßentunnel Uetliberg, Umfahrung<br />
Zürich, STUVA Forschung +<br />
Praxis 2000<br />
[6] Schnelli, O., Sala, A.: Uetlibergtunnel<br />
– Aktueller Stand, <strong>Tunnel</strong><br />
4/2001; www.uetlibergtunnel.ch<br />
[7] Schikora, K., von Soos, P., Jedelshauser,<br />
B., Heimbecher, F., www.<br />
st.bv.tum.de/baustatik/pdf/farchant_<br />
drainage.pdf, <strong>Tunnel</strong> Farchant, „Ab-<br />
24 <strong>Tunnel</strong> 2/2002<br />
dichtungs- und <strong>Entwässerung</strong>ssystem“,<br />
2001<br />
[8] Zwicky, P.: <strong>Tunnel</strong>abdichtungen<br />
Schweiz. Sarnen, Nov. 1996<br />
[9] Bundesamt für Umwelt, Wald<br />
und Landschaft BUWAL, Grundwasserschutz<br />
bei <strong>Tunnel</strong>bauten, Grundlagenbericht,<br />
Schriftenreihe Umwelt<br />
Nr. 231, Bern 10.1994<br />
[10] Wegmüller, M. C.: Einflüsse des<br />
Bergwassers, Stäubli Verlag, Zürich,<br />
2002<br />
[11] Chabot, J. D., Wegmüller, M. C.:<br />
Einflüsse des Bergwassers auf die<br />
Dauerhaftigkeit von Untertagebauwerken.<br />
Institut für Bauplanung und<br />
Baubetrieb, ETH Zürich, Sept. 1997<br />
[12] Galli, M.: Härtestabilisation des<br />
<strong>Entwässerung</strong>wassers, Schweizer Ingenieur<br />
und Architekt, 12/2000,<br />
S. 249 ff.<br />
[13] Maidl B.: (2001)Verbesserung<br />
von <strong>Tunnel</strong>dränagen unter Berücksichtigung<br />
des versinterungsbedingten<br />
Wartungsaufwandes, <strong>Tunnel</strong>baukalender<br />
2002, Verlag für <strong>Tunnel</strong>bau,<br />
Essen<br />
[14] Flury, S., Rehbock-Sander, M.:<br />
Gotthard-Basistunnel: Stand der Planungs-<br />
und Bauarbeiten, <strong>Tunnel</strong>,<br />
Ausgabe 4/1998<br />
Schweiz<br />
Switzerland<br />
4 Steife Schutz- und Dränageschicht des Abdichtungssystems<br />
4 Rigid protective and drainage layer for the sealing system<br />
6 Intended<br />
Measures for the<br />
Gotthard Base<br />
<strong>Tunnel</strong><br />
The clients of the Lötschberg<br />
and Gotthard Base <strong>Tunnel</strong>s,<br />
which will cross the Alps,<br />
realized the need to act to ensure<br />
the drainage systems<br />
were capable of being used<br />
on a lasting basis. Given the<br />
rock overburden of up to<br />
2,300 m above the tunnel axis<br />
and mostly low rock permeabilities,<br />
the 57 km long – 2bore<br />
Gotthard Base <strong>Tunnel</strong><br />
has been devised as a drained<br />
tunnel (exception: grouting in<br />
the event of high water incidence)<br />
[14]. The following<br />
measures are foreseen to ensure<br />
permanent pressureless<br />
underground water drainage<br />
(please see Fig. 3).<br />
7 Outlook<br />
Today, both planners and<br />
clients are conscious of the<br />
problems associated with per-<br />
manent tunnel drainage. It is<br />
essential that an overall concept<br />
be worked out for the<br />
tunnel drainage during the initial<br />
planning stage for every<br />
project taking its special marginal<br />
conditions into account.<br />
It is imperative that collaboration<br />
between those designing<br />
the basic structure and maintenance<br />
divisions is stepped<br />
up. As a result, the planners<br />
can profit from the experience<br />
of the maintenance people<br />
and vice versa so that the latter<br />
can introduce their specific<br />
requirements into the project<br />
at an earlier stage.<br />
Bibliography: see German original