Tunnelbau
Der Tunnelbau macht sich vielfach die Jahrtausende alten Erkenntnise des Bergbaus zu Nutze. Dabei wurden Stollen vorgetrieben, die mit Stempel und Verbau gesichert wurden. Später kamen Techniken aus dem Bau von Tonnengewölben hinzu.
Voraussetzung eines Tunnelbauvorhabens ist die genaue Kenntnis der geologischen Beschaffenheit und Festigkeit des Gebirges, der Gesteinsschichtung und -zusammensetzung und ihres Verlaufs sowie der Wasserführung der Gesteinsschichten, der auftretenden Drücke und die bodenmechanische Analyse. Umgrenzung des lichten Raumes, Stärke der Auskleidung, Abdichtung, Wasserführung und Belüftung werden im "Entwurfsquerschnitt" beschrieben. Im modernen Tunnelbau werden Brandschutzthemen in Form von Fluchtwegen, Notausstiegen, Brandmelde- und Sprinkleranlagen frühzeitig in die Planung mit einbezogen.
Zum Tunnelbau finden als Tunnelbaumaschinen Verwendung:
- Geräte zum Lösen des Gesteins (z.B. Bohrhämmer, Drehschlagbohrmaschinen, Schrämmaschinen, Tunnelvortriebsmaschinen, Schildvortriebsmaschinen)
- Geräte zum Laden des Gesteins (z.B. Schutterbänder, Stollen- oder Schaufellader, Radlader)
- Geräte zum Transport des Gesteins (z.B. Loren, Feldbahnen, Tiefmuldentransporter, Transportbänder)
- Geräte zum Betonieren (z.B. Betonpumpen, Betonspritzgeräte (sog. Spritzbüffel), pneumatische Betonfördermittel)
Die allgemeinen Ausbrucharbeiten umfassen Bohr- und Sprengarbeiten, das Gesteinaufladen, der Abtranpsort des Abraums, die Durchführung von Sicherheitsmaßnahmen (Stollen- oder Tunnelzimmerung) und die Auskleidung.
- Bei der traditionellen Bauweise wird ein Richtstollen als First- bzw. Sohlstollen ins Gebirge vorgetrieben. Anschließend erfolgt der Gesteinsausbruch abschnittsweise bis zur Erstreckung des Gesamtquerschnitts. Danach schließen sich Sicherung gegen Nachbrechen und Vollausbau als weitere Arbeitsschritte an. Die traditionelle Bauweise erfordert zur Sicherung einen großen Aufwand an Holz.
- Beim modernen Vollausbau erfolgt die Sicherung freigelegter Flächen durch Spritzbeton, Felsanker, Stahlbögen und andere Bauelemente. Durch Einsatz von vollautomatischen Großmaschinen kann die Auszimmerung entfallen.
In festem Gestein erfolgt der Ausbruch entweder in "Traditioneller Bauweise" oder kontinuierlich im "modernen Vollausbau". Bei nicht standfestem Gestein wird der Ausbruch z.T. noch nach traditioneller, aber modifizierte Bauweise vorgenommen:
- Bei der "Kernbauweise" oder "deutschen Bauweise" werden zuerst zwei seitliche Sohlstollen als Raum für die Widerlager und ein Firststollen ausgebrochen, bevor man sich durch die Firste zu den Sohlstollen vorarbeitet. Erst nach Fertigstellung der Tunnelwandung wird der Massivkern herausgebrochen.
[[Bild:Vom Bau des Gotthard-Tunnels.jpg|200px|thumb|Die Belgische Bauweise, angewendet am Tunnel der ]]
- Bei der "Unterfangbauweise" oder "belgischen Bauweise" beginnt mit dem Ausbau und der Abstützung der Firste (= Kalotte). Daran schließt sich die Ausführung des Widerlagers abschnittsweise durch seitliches Einschlitzen von einem Richtstollen aus an (= Strossenbau).
- Bei der "Alten österreichischen Bauweise" wird ein Sohlstollen vorangetrieben, der vergrößert wird. Daran schließt sich das Aufschlitzen bis zum First an. Von dort aus erfolgt der Vollausbruch.
- Bei der "Vortriebsbauweise" oder "englischen Bauweise" erfolgt der Vollausbruch nacheinander, an den sich das Einziehen des Gewölbes unmittelbar anschließt.
- Bei der "Versatzbauweise" oder "italienischen Bauweise" beginnt man mit dem Ausbruch des unteren Drittels und dem sofortigen Einziehen des unteren Widerlagerteils und Sohlengewölbes.
Im Gebirge erfolgt der Ausbruch meist durch Sprengen (= "Schießen"); das Gestein wird anschließend mit Abbaumaschinen entfernt und durch Fördermittel abtransportiert.
- Bei der "Aufbruchbauweise" oder "Neuen österreichischen Bauweise" ist man nicht mehr an eine bestimmte Reihenfolge der Ausbruchvorgänge gebunden, sondern passt sich den jeweiligen geologischen Verhältnissen an. Dabei wird der Tunnel nicht mehr als Gewölbe, sondern als Röhre oder Bohrung mit ausgekleideter Wandung aufgefaßt. Das Gebirge selbst bleibt dabei der wesentlich tragende Teil der Konstruktion. Je nach spezifischer Art des vorliegenden Gebirges wird zu einem relativ frühen Zeitpunkt der Verbau eingebracht, um die ursprüngliche Gebirgsfestigkeit weitestmöglichst zu erhalten. Spritzbeton mit Bewehrungsnetzen aus Baustahlgewebe (Matten) und in Verbindung mit ins Gebirge gebohrten und anschließend injezierten Felsankern und oft mit Stahlbögen sollen für diesen Verbau sorgen. Zu dem Zeitpunkt, wenn die statische Funktion der Röhre voll in Anspruch genommen wird, muß durch Einbringen des Sohlgewölbes für einen rechtzeitigen Ringschluß gesorgt sein. Durch diese Vorgehensweise können kostspielige Einrüstungen und gefährliche Gebirgsbewegungen (Setzungen) vermieden werden.
- Zu den modernen Bauverfahren gehört die "Ringbauweise", die mit dem Ausbruch und Ausräumen der Kalotte beginnt. Daran schließt sich das Verlegen mehrteiliger Ringschwellen an, wobei der Ring von Sohl- oder Ringschwelle, Lehrbogen, Reiter und Ausbruchbogen gebildet wird. Nach dem Aufbringen von Spritzbeton kann das Ausräumen der Strosse und die Herstellung des Sohlgewölbes erfolgen.
- Die "Messerbauweise" bedient sich die Firste sichernder, stählerner, zugespitzter Kanaldielen, die am Rand des Gewölbes als Vortriebsmesser bei gleichzeitigem Vortrieb der Tunnelbrust ins Gebirge vorgetrieben werden. Das Gewölbe wird schubweise produziert.
- Bei der "Schildvortriebsweise", die im Lockergestein ihre Anwendung findet, wird ein als Deckschild bezeichneter Stahlzylinder im Querschnitt des späteren Tunnelprofils mit hydraulischen Pressen vorangetrieben, die sich ihrerseits gegen das fertige Gewölbe abstützen. In seinem Schutz kann durch eine rotierende Bodenfräse im Vortriebsverfahren die Tunnelröhre ausgeräumt und durch Felsanker und Spritzbeton befestigt werden. Im nächsten Arbeitsgang wird das Gewölbe nach Einziehen der Pressen mit Beton- oder Stahltübbings ausgekleidet. Bei wasserführenden Gesteinsschichten kann der Arbeitsraum durch eine Rückwand abgeschlossen und so unter Überdruck gesetzt werden, dass kein Wasser einbricht.
- Beim "Gefrier- oder Versteinerungsverfahren" können zur Unterfahrung schwerer Bauwerke Rohrschirmdecken eingesetzt werden, wobei dicke Stahlrohre unter die Fundamente vorgetrieben und mit Stahlbeton ausgegossen werden. Vereinzelt wird wassergesättigter, schwimmender Beton vor dem Ausbruch vereist bzw. versteinert.
- Wenn eine nach oben offene Baugrube möglich ist, werden bei geringer Überdeckung (z.B. für Unterpflasterbahnen) Tunnel in "offener Bauweise" gebaut. Die seitlichen Verbauwände werden vor oder beim Bodenaushub niedergetrieben.
- Bei der "Deckelbauweise" werden Bohrpfähle aus Stahl oder Stahlbeton errichtet, zwischen denen die Baugrube ausgehoben wird. Sobald die Höhe erreicht ist, in der Bagger bzw. Radlader arbeiten können, wird die Grube zur Aufrechterhaltung des darüber fließenden Straßenverkehrs abgedeckelt. Die Deckelbauweise findet z.B. beim Bau von Unterpflasterbahnen Anwendung.
- Zur Querung von Gewässern wird die "Einschwimm- und Absenktechnik" in Deutschland selten angewandt. Bei ihr werden an Land vorgefertigte Senkkästen (Caissonverfahren) oder Tunnelstücke eingeschwommen und im ausgespülten Flussbett versenkt.