Auswirkung von Hydroschildvortrieben auf den ... · über diese Membran. Nach Anagnostou & Kovari (1992) baut sich die Druckdifferenz zwischen Suspension und Grundwasser innerhalb

18. Tagung für Ingenieurgeologie und Forum „Junge Ingenieurgeologen“ Berlin 2011

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Auswirkung von Hydroschildvortrieben auf den Grundwasserkörper am Beispiel von zwei Vortrieben in Tirol /

Influence of slurry shield drives on the groundwater examplary shown at two drives in Tyrol

Katharina Wendl1, Kurosch Thuro2

1 Dipl.-Geol. Katharina Wendl, Lehrstuhl für Ingenieurgeologie, TU München, [email protected] 2 Prof. Kurosch Thuro, Lehrstuhl für Ingenieurgeologie, TU München, [email protected]

Zusammenfassung

Als Teil der neuen Unterinntalstrecke in Tirol wurden die Baulose Tunnel Jenbach und Tunnel Münster-Wiesing mit Hydroschild-maschinen mit einem Durchmesser von 13 m aufgefahren. Die beiden Vortriebe mit einer Gesamtvortriebslänge von ca. 9,2 km verliefen unterhalb des Grundwasserspiegels und erschlossen hauptsächlich quartäre Lockergesteine der Inntalfüllung. Im Nahbereich der Vortriebe befanden sich zahlreiche Grundwassermessstellen, die mit Datensammler ausgestattet waren. Die aufgezeichneten Grundwasserdaten zeigen, dass sowohl der Regelbetrieb als auch die Drucklufteinstiege in Abhängigkeit der Entfernung von Messstelle und Ortsbrust einen Anstieg des Wasserstandes in den Messstellen bewirkten. Generell waren die Auswirkungen der Drucklufteinstiege bei gleicher Entfernung von Pegel und Ortsbrust stärker als die des Regelbetriebes. Des Weiteren hat sich gezeigt, dass die Grundwassermächtigkeit über Tunnelfirste, der geologische Schichtaufbau sowie die hydrologischen Gegebenheiten das Ausmaß der Grundwasserschwankungen beeinflussen. Diese Ergebnisse stellen wichtige Anhaltspunkte für die Ausweisung sinnvoller Verschlusskorridore für Grundwasser-messstellen oder Brunnen im Umfeld von Schildvortrieben dar, um Suspensions- oder Luftausbläser zu verhindern.

Schlüsselworte: Hydroschildvortrieb, Grundwasser, Pegelverschluss

Abstract

The construction lots Tunnel Jenbach (lot H8) and Tunnel Münster-Wiesing (lot H3-4) belong to the new railway line in the lower Inn valley in Tyrol and were driven with two slurry shield machines. Both tunnels with a diameter of 13.03 m and a total tunnel length of 9,2 km are situated in different quaternary soils and run beneath groundwater surface. For monitoring the groundwater level several standpipes were located in the vicinity of the tunnel. Most of these stand pipes were equipped with automatic data log systems. The collected data of the groundwater level during the tunnel drive shows that regular tunnel drive as well as hyperbaric air interruptions influence the water level. While active tunnel drive or hyperbaric air interruptions the water level rises, in times of standstill the water level falls back to its initial position. The influence of the tunnel drive on the water level increases by decreasing distance between water pipe and tunnel heading. In the constuction lots H8 and H3-4 the groundwater rise varies from a few centimeters while regular tunnel drive up to severel decimeters while hyperbaric air conditions. In general the impacts of hyperbaric air interruptions were higher than the impacts of regular tunnel drive at the same distance between standpipe and tunnel face. Furthermore the data analysis of the 50 stand pipes with a distance to the tunnel alignment of less than 110 m shows, that facts like the amount of water overburden over the top of the tunnel, the geological compsition of the subsoil as well as the hydrologic conditions have effects on the change of water level due to tunnel drive. The analysis of groundwater data in the vicinity of slurry shield drives improves the knowledge of the influence of slurry shield drives on the groundwatern level. But every stand pipe in the immediate vicinity of the tunnel is also a weak point where the supporting medium (slurry or air) can escapes to the surface and cause stability problems at the tunnel face. Therefore stand pipes have to be closed before tunnel heading comes close. There is no doubt, that monitoring the water level in standpipes conflicts with the security of the tunnel drive. But measuring the water level in a secure distance to the tunnel drive and the analysis of the gathered data give important indications concerning the extradition of the area in which standpipes or wells should be closed for a secure passage of the tunnel drive.

Key words: Slurry shield, groundwater, closure of stand pipes

1 Einleitung

Das entscheidende Charakteristikum eines Hydroschildvor-triebes ist die Stützung der Ortsbrust durch eine druckbeauf-schlagte Suspension, meist einer Bentonitsuspension. Der Druck der Suspension ist dabei höher als die Summe aus Wasser- und Erddruck und stabilisiert somit das Gebirge an der Ortsbrust. Dieses Vortriebsprinzip macht einen sicheren Tunnelvortrieb in ansonsten nicht standfesten, wassergesät-tigten Lockergesteinen erst möglich. Der in der Abbau-

kammer herrschende Überdruck wirkt auf das Gebirge und damit auch auf das Grundwasser. Durch die Beobachtung und Auswertung von Grundwassserganglinien aus der Um-gebung eines Vortriebes kann die Auswirkung des Vortrie-bes quantifiziert werden. Wichtige Voraussetzungen bei der Interpretation der Daten sind sowohl die Kenntnis der geo-logisch-hydrogeologischen Gegebenheiten aber auch Infor-mationen über das aktuelle Vortriebsgeschehen. Die Pro-jektsgeologen sollten über diese Kenntnisse verfügen. Auf-grund dessen ist es sinnvoll, dass die Beobachtung und


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Interpretation der Grundwasserdaten als Teil der vortriebs-begleitenden ingenieurgeologischen Dokumentation von den Projektsgeologen durchgeführt werden.

In der Fachliteratur ist bisher wenig zur Beeinflussung des Grundwasserspiegels durch Hydroschildvortriebe veröffent-licht. Von Hochgürtel (1998) wurden numerische Berech-nungen zur Beurteilung der Standsicherheit der Ortsbrust bei Druckluftstützung zur Wasserhaltung vorgenommen. Hier wird detailliert auf die Zweiphasenströmungsberech-nung und die Spannungsverformungsberechnung sowie die daraus resultierenden Ortsbrust- und Oberflächenverfor-mungen eingegangen. Diese beinhalten zwar die Berech-nung von Porenwasser- und Porenluftdruck im Umfeld der Ortsbrust, gehen allerdings nicht genauer auf tatsächliche Änderungen des Grundwasserspiegels ein. Auch Nagel et al (2010) schneiden in ihren numerischen Simulationen das Thema der Auswirkung des Vortriebes auf den Porenwas-serdruck an, ebenfalls ohne die Grundwasserspiegelände-rungen zu diskutieren.

2 Grundlagen der Ortsbruststützung

Bei Hydroschildvortrieben übernimmt im Regelbetrieb die druckbeaufschlagte Bentonitsuspension die Stützung der Ortsbrust (Maidl et al, 1995), so dass ein kontrollierter Bo-denabbau ohne Ortsbrustinstabilitäten erfolgen kann. Auf-grund des gegen die Ortsbrust gerichteten Druckgradienten bildet sich an der Ortsbrust ein Filterkuchen aus. Dieser Filterkuchen entsteht durch das Eindringen von Suspension in den Boden und die Anlagerung / bzw. Filtration von Tonteilchen an der Ortsbrust, wodurch es zu einem Aufbau einer Tonschicht an der Ortsbrust kommt (Maidl, 2004). Diese Schicht stellt den eigentlichen Filterkuchen dar. Bei gering durchlässigen Böden dringt die Suspension weniger tief in die Bodenporen ein als bei durchlässigen Böden. Nach Nagel et al (2010) kommt es beim Eindringen der Suspension in den Boden bzw. bei der Bildung des Filterku-chens zu einem Anstieg des Porenwasserdrucks im Boden vor der Ortsbrust. Im Vortriebsfall, bei rotierendem Schneidrad wird der Filterkuchen permanent wieder zer-stört, bzw. kann sich nicht ausbilden, sofern der Vortrieb schneller erfolgt als Bentonitsuspension in die Poren strö-men und sich eine Tonschicht an der Ortsbrust bilden kann (Nagel et al, 2010). Während des aktiven Vorschubes der Maschine gehen Nagel et al (2010) daher von einer Stüt-zung der Ortsbrust ohne Filterkuchen aus. Bei ruhendem Vortrieb, z.B. während des Ringbaus, kann sich der Filter-kuchen ausbilden und die Stützung der Ortsbrust erfolgt über diese Membran. Nach Anagnostou & Kovari (1992) baut sich die Druckdifferenz zwischen Suspension und Grundwasser innerhalb dieses Filterkuchens ab. Babendererde & Holzhäuser (1999) gehen davon aus, dass der Filterkuchen bei Hydroschildvortrieben zwar eine ge-ring durchlässige, aber nicht vollständig undurchlässige Membran ist. Diese Tatsache ist besonders bei der Betrach-tung der Wirkungsweise der Stützung der Ortsbrust über Druckluft zu beachten. Babendererde & Holzhäuser (1999) erläutern dazu, dass die Stützkraft der Druckluft zum einen durch die Membranwirkung des Filterkuchens und zum anderen durch die Mobilisierung von Strömungskräften im Filterkuchen und im Boden erreicht wird. Das Porenwasser

im Boden wird durch die einströmende Luft verdrängt, so dass die Bodenbereiche vor der Ortsbrust von einem voll-ständig wassergesättigten in einen teilgesättigten Zustand übergehen. Es bildet sich eine Zweiphasenströmung in der Umgebung der Ortsbrust ausbildet (Hochgürtel, 1998). Ein intakter Filterkuchen ist essentiell für eine sichere Durch-führung von Drucklufteinstiegen mit geringen Luftverlus-ten. Dennoch trocknet der Filterkuchen bei Druckluftein-stiegen infolge der Durchströmung mit Luft allmählich aus, so dass sich Risse bilden können, über die vermehrt Luft abströmen kann. In den Baulosen H3-4 und H8 konnte wäh-rend der Drucklufteinstiege v.a. bei geöffneter Ortsbrust die abströmende Luft an Pfeifgeräuschen und an einem raschen Austrocknen der Bodenschichten beobachtet werden. Zur Erneuerung des Filterkuchens muss die Abbaukammer wieder mit Bentonitsuspension gefüllt werden. In beiden Betriebszuständen - bei Bentonitstützung und bei Luftstüt-zung - ist der Druck in der Abbaukammer höher als der Wasserdruck, so dass in jedem Fall ein Druckgefälle von Ortsbrust Richtung Gebirge besteht und die Ortsbruststabili-tät gewährleistet ist. Um diesen Überdruck wirtschaftlich halten zu können bzw. nicht zu gefährden, dürfen keine stark durchlässigen Schwächezonen zwischen dem unmit-telbarem Vortriebsbereich und der Geländeoberfläche be-stehen, über die Suspension oder Luft unkontrolliert entwei-chen kann. Da auch Grundwassermessstellen als Schwäche-zonen einzustufen sind, über die Suspensions- der Luftaus-bläser entstehen können, müssen diese in der nahen Umge-bung des Vortriebes verschlossen werden. Bisher finden sich allerdings in der Literatur keine allgemein anwendba-ren Berechnungsansätze, die den Korridor rechts und links der Tunneltrasse angeben, in dem vorhandenen Messstellen verschlossen werden müssen. Die Analyse der aufgetrete-nen Grundwasserschwankungen bei durchgeführten Vor-trieben stellt dabei eine wichtige Hilfe bei der Annäherung an diese Fragestellungen dar.

3 Projektübersicht der Baulose H3-4 und H8 der Unterinntalstrecke

Im Zuge des Ausbaus der Unterinntaltrasse / Zulaufstrecke Nord für den Brennerbasistunnel wurden in Tirol im Zeit-raum 2007-2009 der Tunnel Jenbach im Baulos H8 und der Tunnel Münster-Wiesing im Baulos H3-4 mit Hydro-schildmaschinen aufgefahren. Mit den zwei nahezu bauglei-chen Maschinen (Durchmesser 13 m) wurden erstmals in Österreich Hydroschildmaschinen dieser Dimension einge-setzt. Die zwei Schildvortriebe verliefen zum überwiegen-den Teil in verschiedenen quartären Lockergesteinen des Inntals. Die Überlagerung über Tunnelfirste variiert im Los H3-4 zwischen 12-44 m und im Los H8 zwischen 5-25 m. Die Tunnel liegen vollständig unterhalb des Grundwasser-spiegels, wobei die Grundwasserüberlagerung über Firste im Minimum 1 m und im Maximum 17 m betrug. Bei den auf Tunnelniveau auftretenden Lockergesteinen handelt es sich in beiden Baulosen hauptsächlich um fluviatile In-nsedimente, die als sandig-steinigen Kiese und kiesige San-de in Erscheinung treten. In dem geschichteten Schotterkör-per kommen auch Sandlagen und porenhohlraumreiche Rollkieslagen sowie vereinzelt Stein-/Blocklagen vor. Durch diese Schichtung in verschiedene Lagen können in


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den generell mittel bis stark durchlässigen Innschottern auf kurzen Distanzen z.T. sehr unterschiedliche Durchlässigkei-ten im Bereich von 3*10-2 bis 1*10-5 m/s auftreten (BEG, 2005). Bereichsweise verzahnen die Innschotter mit sandig-kiesigen Schwemmfächerschüttungen und schluffig-steinigen Murschuttsedimenten, in denen auch gehäuft Stei-ne und Blöcke auftreten. Neben den sandig-kiesigen Abla-gerungen wurden abschnittsweise gut sortierte Fein- bis Mittelsande und tonig-schluffige Stillwasserablagerungen angeschnitten. Auf dem ersten Vortriebsabschnitt im Baulos H3-4 trennt eine bindige Bodenschicht mit Durchlässig-keitsbeiwerten von 1*10-5 bis 1*10-8 m/s (BEG, 2005) den oberen freien Grundwasserkörper in den Innschottern von einem tiefer liegendem Grundwasserkörper in Sanden mit Durchlässigkeitswerten im Bereich von 1*10-4 bis 1*10-6 m/s (BEG, 2005). Aufgrund der bindigen Schicht im Han-genden ist das Grundwasser in den Sanden gespannt. In den Start- und Zielbereichen traten zudem karbonatische Festge-steine im Querschnitt auf, so dass hier Mixed-Face-Bedingungen beherrscht werden mussten.

Die Innschotter sowie die sandig-kiesigen Schwemmfächer-ablagerungen stellen in beiden Baulosen die wichtigsten Grundwasserleiter dar. Der Grundwasserstand ist im We-sentlichen durch den Wasserstand des Inns und durch die Witterung beeinflusst. Der Grundwasserspiegel befindet sich im Bereich der Talflur des Inntales meist nur wenige Meter unter Geländeoberfläche, wobei jahreszeitliche Schwankungen von ca. 2-3 m üblich sind.

Die generelle Fließrichtung des Grundwassers im Inn-talaquifer und damit auch die Neigung der Grundwasser-oberfläche verlaufen ähnlich der Fließrichtung des Inns von Westen nach Osten. Da die beiden Tunnel in etwa parallel zum Inn verlaufen, sind die Tunnelröhren auch parallel zur Grundwasserfließrichtung orientiert. Der Vortrieb im Bau-los H3-4 verlief von Osten nach Westen und war damit gegen die Grundwasserfließrichtung gerichtet. Im Gegen-satz dazu wurde der Tunnel Jenbach von Westen nach Os-ten und damit in gleicher Richtung wie die Grundwasser-fließrichtung vorgetrieben.

4 Methodik der Analyse

Im Projektgebiet der Baulose H3-4 und H8 befanden sich 50 Grundwassermessstellen mit einer Entfernung von weni-ger als 110 m im Nahbereich der Tunnelröhren. Für eine möglichst detaillierte wasserwirtschaftliche Beweissiche-rung der Grundwasserverhältnisse im Umfeld der Vortriebe wurden, sofern technisch möglich, in allen Grundwasser-messstellen während der Annäherung der TVM Daten-sammlersysteme installiert. Das Aufzeichnungsintervall des Grundwasserstandes betrug dabei meist 10 Minuten. Auf-grund dieser Detailbeweissicherung liegen umfangreiche Daten über den Verlauf der Pegelganglinien bei Annähe-rung bzw. Passage der Vortriebsmaschine vor.

Gemäß den Pegelverschlusskonzepten der ausführenden Baufirmen wurden in den Baulosen H3-4 und H8 alle Mess-stellen mit einem Abstand von weniger als etwa 35 m rechts

bzw. links der Tunnelachse während der Passage des Vor-triebes mit einem Packer temporär verschlossen. Im Los H3-4 wurden Messstellen im unmittelbaren Nahbereich der Trasse mit einer Entfernung von weniger als 8 m zur Tun-nelachse permanent mittels Zementverfüllung verschlossen. Im Baulos H8 wurden alle Messstelle mit weniger als 17 m Abstand zur Tunnelachse mit Zementsuspension verfüllt. Der Einbau der Packer für den temporären Verschluss bzw. das Verpressen mit Zementsuspension erfolgte spätestens bei einem Abstand von 50 m zwischen Pegel und Ortsbrust. In der Praxis wurden vor allem im Baulos H8 manche Messstellen schon deutlich früher verschlossen, so dass für diese Messstellen keine Grundwasserdaten während der Annäherung der Vortriebes vorliegen.

Für die Auswertung der aufgezeichneten Grundwassergang-linien in Bezug auf eine Beeinflussung des Grundwasser-standes durch den Tunnelvortrieb wurde für jede Grund-wassermessstelle eine graphische Aufbereitung der Daten vorgenommen. Die Diagramme enthalten neben der Grundwasserganglinie verschiedene Zusatzinformationen wie die jeweilige Entfernung des Vortriebes von der Mess-stelle zu bestimmten Zeitpunkten, Angaben zum Vortriebs-geschehen (Regelbetrieb, Drucklufteinstiege, Stillstand) sowie die aufgetretenen Grundwasserschwankungen (vgl. Abb. 1). Zudem wurde bei der Auswertung das geologische Umfeld, in dem die Messstelle liegt, berücksichtigt. Um die durch den Vortrieb aufgetretenen Grundwasserschwankun-gen als Differenz zum Ruhewasserspiegel angeben zu kön-nen, wurde in die Grundwasserdiagramme ein interpretierter Ruhewasser-spiegel eingezeichnet. Diese Ruhewassergang-linien stellen keine Messwerte sondern ausdrücklich Inter-pretationen dar, die sich auf die Kenntnis der langjährigen Grund-wasserdaten jedes Pegels stützt. Diese Vorgehens-weise zur Ermittlung der Ruhewasserganglinien ist zwar subjektiv aber dennoch nachvollziehbar und wird unter Berücksichtigung des Zweckes als geeignet betrachtet. Aus der Differenz zwischen tatsächlich gemessenem Grundwas-serstand und dem interpretierten Ruhewasserstand können aus den Diagrammen sehr einfach die durch den Vortrieb bedingten Grundwasserschwankungen als Absolutbeträge abgelesen werden. Bei einigen Messstellen trat nach Been-digung der Druckluftstützung eine deutliche Unterschrei-tung des Ruhewasserspiegels bedingt durch einen dynami-schen Rückstrom des Wassers auf. Die Gesamtschwankung des Grundwasserspiegels vom Maximal- zum Minimalstand ist ebenfalls in den Diagrammen angegeben. Die zeitliche Korrelation von Grundwasserganglinie und Vortriebsge-schehen (Vortriebsstand, Station von Drucklufteinstiegen) ist über die Aufzeichnung der Vortriebszeiten jedes Ringes bzw. bei Drucklufteinstiege über Informationen aus den Baustellenunterlagen (Bautagesberichte, automatische Da-tenaufzeichnung TVM, ingenieurgeologische Vortriebsdo-kumentation) gegeben. Aus diesen Unterlagen kann für jeden Zeitpunkt der Abstand zwischen Pegel und Ortsbrust angegeben werden. Diese Entfernungsangaben sind in den Grundwasserdiagrammen enthalten, wobei eine negative Entfernung zwischen Pegel und Ortsbrust bedeutet, dass der Vortrieb den Pegel bereits passiert hat.


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Abbildung 1: Ganglinie des Grundwasserstandes in der Messstelle E-KB 07/95 während der TVM-Passage (grau), interpretierter Ruhewasserspiegel (schwarz) und Angabe zur Auswirkungen von Regelbetrieb und Drucklufteinstiegen. Figure 1: Hydrograph in stand pipe E-KB 07/95 during passage of slurry shield drive (grey line), interpretated hydrograph without tunneldrive (black line) and amount of alteration due to regular tunnel drive or compressed air interruptions. In Abbildung 1 ist die Ganglinie der Messstelle E-KB 07/95 für den Zeitraum der TVM-Passage als Beispiel aus dem Baulos H3-4 abgebildet. Die Messstelle liegt 45 m von der Tunnelachse entfernt, so dass der Datensammler während der gesamten TVM-Passage installiert bleiben konnte und dadurch eine vollständige Grundwasseraufzeichnung vor-handen ist. Bei diesem Pegel bewirkte der Regelbetrieb einen Anstieg des Grundwassers um wenige Zentimeter. Während der Stillstandszeit, die z. B. für den Ringbau benö-tigt wurde, sank der Grundwasserspiegel wieder auf den Normalwasserstand ab. Bei den Drucklufteinstiegen am 18. und 19.02.08 traten Grundwasseranstiege bis ca. 25 cm und eine Gesamtschwankung von ca. 50 cm (Anstieg und Rück-strom) auf. Im Diagramm ist dies in entsprechender Zeile als „25/50 cm“ angegeben.

Bei 9 Messstellen konnten die Datensammler aufgrund ihrer Entfernung von mehr als ca. 35 m zur Trasse während der gesamten Passage installiert bleiben, wodurch eine voll-ständige Erfassung der Auswirkungen des Vortriebes vor, während und nach Passieren der Messstelle vorhanden ist. Derartige Messstellen mit kontinuierlicher Datenaufzeich-nung stellen sehr wertvolle Datensätze dar. Hier kann ana-lysiert werden, ob es einen Unterschied in der Höhe der Grundwasserspiegeländerung bei Annäherung bzw. Entfer-nung des Vortriebes von der Messstelle gibt.

5 Auswirkungen der Vortriebe auf den Grundwasserspiegel

5.1 Auswirkungen des Regelbetriebes

Während der aktiven Vortriebsphase unter Suspensions-überdruck wird der sich an der Ortsbrust bildende Filterku-chen laufend durch die Abbauwerkzeuge wieder zerstört, so dass der Suspensionsdruck auf das umliegende Gebirge und das Grundwasser wirkt. Wie die Grundwasserdaten aufzei-

gen, hat dies einen Anstieg des Grundwasserspiegels im Nahbereich des Vortriebs zur Folge. Die Grundwasserauf-zeichnungen aus verschiedenen Messstellen zeigen weiter, dass es sich um einen räumlichen Anstieg handelt, der auch „hinter“ die Ortsbrust entgegen der Vortriebsrichtung reicht. Die Vorstellung einer kuppelartigen Erhebung des Grund-wasserspiegels kommt der Realität vermutlich am nächsten. Der Grundwasseranstieg setzt dabei sehr schnell, d.h. inner-halb weniger Minuten nach Beginn der Vortriebsphase ein. Sobald das Schneidrad still steht, kann sich an der Ortsbrust ein Filterkuchen ausbilden, der offensichtlich den Stütz-druck aufnimmt. Dies resultiert in einem Absinken des Grundwasserspiegels auf Niveau des Ruhewasserspiegels in Stillstandsphasen. Im Regelbetrieb mit ständigen Wechseln von Vortriebs- und Ringbauphasen ergibt sich daher ein Wechsel von Anstieg und Absinken des Grundwasserspie-gels analog dem ständigen Aufbau und Zerstören des Filter-kuchens. Die numerischen Berech-nungen des Porenwas-serdruckes in Abhängigkeit des Vortriebsgeschehens von Nagel et al (2010) zeigen im Prinzip dasselbe Verhalten des Porenwasserdruckes. Bei alternierendem Auf- und Abbau des Filterkuchens im Regelbetrieb kommt es zu einem An-steigen des Poren-wasserdruckes während der Vortriebs-phasen (kein bzw. unvollständiger Filterkuchen) bzw. zu einem Absinken des Porenwasserdruckes im Stillstand bei vorhandenem Filterkuchen.

In Abbildung 2 ist die Pegelganglinie der Messstelle E-KB 33/98 für den Zeitraum von 24 Stunden dargestellt. Wäh-rend dieser Zeitspanne befand sich der Vortrieb im Regelbe-trieb. Die Vortriebszeiten mit aktivem Bodenabbau an der Ortsbrust und damit unmittelbarer Einwirkung des Suspen-sionsdruckes auf den Grundwasserspiegel betrugen etwa 50-60 min. Die Stillstandszeiten für Ringbau etc. zwischen den Vortriebsphasen betrugen meist ca. 50-70 Minuten. Der größte in dieser Zeitspanne aufgetretene Grundwasseran-stieg betrug 16 cm bei einer Entfernung von Messstelle und Pegel von ca. 45 m, wobei die Messstelle schräg vor der


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Ortsbrust lag. Im Querschnitt befanden sich die Sande der Braunsandfazies, darüber folgen die Kiese der Innschotter.

Abbildung 2: Pegelganglinie der Messstelle E-KB 33/98 bei TM 841 bei Annäherung des Vortriebes. Figure 2: Hydrograph in standpipe E-KB 33/98 at TM 841 while approaching tunnel drive.

Im Zuge der Datenanalyse wurden für alle vorhandenen Messstellen die Grundwasserschwankungen erhoben. Zu-sammenfassend sind in Abbildung 3 die Absolutbeträge der Grundwasseranstiege durch den Regelbetrieb gegen die Entfernung der jeweiligen Messstelle zur Ortsbrust aufge-tragen. Zudem erfolgte eine Differenzierung der Daten-punkte nach geologischen Gegebenheiten der Pegelstandor-te. Es ist ersichtlich, dass die Messstellen in dem leicht gespannten Inn-Grundwasserkörper höhere Auswirkungen zeigen als die Messstellen im freien Inn-Grundwasserkörper. Deutliche Abweichungen von der Punktemenge der Messstellen in den Innschottern liegen für die Messstelle E-KB 29/98 vor, die gespanntes Grundwas-ser in den Braunsanden erschließt. Ebenso deutlich höhere Auswirkungen zeigten sich in der Messstelle E-KB 33/98, die ebenfalls in den Fein- bis Mittelsanden der Braunsand-fazies liegt. Diese Unterschiede beweisen, dass das Ausmaß der Grundwasserbeeinflussung nicht nur von der Entfernung zwischen Ortsbrust und Messstelle sondern auch von den hydrogeologischen Randbedingungen abhängt.

Aus dem Diagramm in Abbildung 3 ist weiters ersichtlich, dass für das Baulos H8 nur sehr wenige Datenpunkte für die Beeinflussung des Vortriebes im Regelbetrieb vorliegen. Dies liegt an der geringeren Messstellenanzahl im Baulos H8 und vor allem an dem frühzeitigen Verschluss der vor-handenen Messstellen bei Annäherung des Vortriebes.

Abbildung 3: Zusammenstellung der durch den Vortrieb eingetretenen Grundwasseranstiege in verschiedenen Grundwassermessstellen bei unterschiedlichen Entfern-ungen von Messstelle und Ortsbrust im Regelbetrieb. Figure 3: Summary of the rise of groundwater level due to the tunnel drive in different standpipes subject to the distance between stand pipe and tunnel face. Bei den im Baulos H3-4 vorliegenden geologisch-hydrologischen Verhältnissen kann festgehalten werden, dass ab einer Distanz von ca. 220 m ein Anstieg des Grundwasserspiegels um 1-2 cm aufgetreten ist. Mit Annä-herung des Vortriebes an die Messstelle nimmt der Anstieg des Wasserstandes im Pegel während der Vortriebszeit zu. Ab einer Distanz von weniger als 100 m können die Anstie-ge des Wasserspiegels bis zu 4-6 cm betragen. Nach der Passage des Vortriebes am Pegelstandort sind ebenfalls Grundwasseranstiege zu verzeichnen. Diese fallen jedoch geringer aus, so dass ein Unterschied in der Grundwasser-beeinflussung bei Annäherung bzw. Entfernung des Vor-triebes festgestellt werden kann. Die kuppelartige Anhe-bung des Wasserspiegels im Nahbereich des Vortriebs muss daher eine asymmetrische Form aufweisen. Diese Aussagen gelten für die Randbedingungen im Baulos H3-4. Als we-sentliche Randbedingungen werden dabei folgende Fakto-ren betrachtet:

• entgegen gesetzte Orientierung von Vortriebsrichtung und Grundwasserfließrichtung

• Vortrieb in Sanden und Kiesen mit hydraulischen Durchlässigkeiten von ca. 1*10-3 bis 1*10-6 m/s

• Grundwasserüberlagerung über Firste im Bereich von 1,5-17 m

• Stützdruck im Regelbetrieb im Bereich von 1,8-2,9 bar

5.2 Auswirkungen der Drucklufteinstiege

Die Grundwasseraufzeichnungen zeigen, dass auch bei Druckluftstützung der Ortsbrust Grundwasserschwankun-gen aufgetreten sind. Der Luftüberdruck und die abströ-mende Luft bewirken eine Veränderung des Grundwasser-spiegels im Nahbereich des Vortriebes. Der Filterkuchen an


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der Ortsbrust ist zwar gering durchlässig, aber dennoch nicht vollständig dicht, so dass während der Druckluftstüt-zung laufend Luft in das umgebende Gebirge abströmt. Um die Luftverluste auszugleichen, muss permanent Luft durch Druckluftregelanlagen in die Abbaukammer nachgepumpt werden, um den erforderlichen Stützdruck in der Abbau-kammer zu halten. Bei den Vortrieben im Unterinntal lagen die Luftverluste über die Ortsbrust in Bereichen von ca. 2-6 m³/min bei normalen Bedingungen. Bei Werten von über 10 m³/min, die als hohe Luftverluste eingestuft wurden, wurden die Einstiege meist aus Sicherheitsgründen abge-brochen und der Filterkuchen erneuert. Bei Einstiegen mit deutlichen Luftverlusten war der Anstieg des Grundwasser-spiegels höher als bei Einstiegen mit geringen Luftverlus-ten. Beispielhaft ist dies in Abbildung 4 zu erkennen, die den Verlauf der Pegelganglinie der Messstelle E-KB 07/95 zeigt. Während des ersten Drucklufteinstieges am Morgen des 18.02.2008 bei Station TM 1762 betrugen die Luftver-luste über die Ortsbrust ca. 18 m³/min. Der Wasserspiegel in der Messstelle stieg dabei um 25 cm an. Aus Sicherheits-gründen wurde der Einstieg abgebrochen und zur Erneue-rung des Filterkuchens die Abbaukammer wieder vollstän-dig mit Suspension gefüllt. Bei den folgenden Einstiegen waren geringere Luftverluste bis ca. 9 m³/min zu verzeich-nen. Die Auswirkung auf den Grundwasserspiegel im Pegel E-KB 07/95 waren dabei ebenso deutlich geringer.

Abbildung 4: Grundwasserschwankungen aufgrund von Drucklufteinstiegen im Pegel E-KB 07/95 bei einer Entfernung von Ortsbrust und Pegel von ca. 45 m. Figure 4:Variation of groundwater level due to compressed air interruptions in standpipe E-KB 07/95 at a distance between stand pipe and tunnel face of about 45 m.

Analog zu den Auswirkungen des Regelbetriebes wurden die beobachteten Grundwasseranstiege während der Druck-lufteinstiege in einem Diagramm zusammengefasst (vgl. Abb. 5). Hier ist noch deutlicher sichtbar, dass die geologi-schen und hydrologischen Umgebungsbedingungen einen Einfluss auf die Höhe der Auswirkungen haben. Bei den Pegeln, die den leicht gespannten Inn-Grundwasserkörper unterhalb der Schwemmfächerablagerungen erschließen, ist wiederum die Auswirkung am stärksten. Des Weiteren fällt auf, dass die Grundwasseranstiege im Baulos H8, bei ver-gleichbarer Distanz von Messstelle und Ortsbrust, deutlich schwächer sind als im Baulos H3-4. Sehr wahrscheinlich

liegt dies an der unterschiedlichen Orientierung von Grundwasserfließrichtung und Vortriebsrichtung. Im H3-4 verläuft der Vortrieb entgegengesetzt zur Grundwasserfließ-richtung und stellt somit ein Strömungshindernis dar. Im Los H8 hingegen verlief der Vortrieb mit dem Grundwas-ser, so dass der Tunnel offensichtlich einen deutlich gerin-geren Störfaktor im Grundwasserkörper darstellt.

Abbildung 5: Zusammenstellung der bei Drucklufteinstiege eingetretenen Grundwasseranstiege bei unterschiedlichen Entfernungen von Messstelle und Ortsbrust. Figure 5: Summary of the rise of groundwater level during compressed air interruptions in different stand pipes subject to the distance between standpipe and tunnel face. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass ab einer Entfernung von ca. 450-500 m in einzelnen Pegeln bereits Auswirkungen von Drucklufteinstiegen in Form eines Grundwasseranstieges um wenige Zentimeter aufgetreten sind. Bei einer Distanz von weniger als 100 m stiegen die Wasserstände in den Messstellen um mindesten 10-20 cm bis hin zu mehreren Dezimetern. Die geringsten Auswir-kungen wurden im Baulos H8 beobachtet. Der Grund dafür wird in der gleichen Orientierung von Grundwasserfließ-richtung und Vortriebsrichtung vermutet.

6 Zusammenfassung der Erkenntnisse

Die Auswertung der Grundwasserdaten in den beiden Bau-losen ergaben folgende Erkenntnisse bezüglich einer Beein-flussung des Grundwasserspiegels durch die Vortriebe: • Regelbetrieb und Drucklufteinstiege bedingen einen

Anstieg des Grundwassers, wobei bei gleichen Rand-bedingungen Drucklufteinstiege generell stärkere Aus-wirkungen haben als der Regelbetrieb.

• Der Anstieg der Grundwasseroberfläche hat asymmet-rische Form. Die genaue Form ist vermutlich abhängig von Grundwasserfließrichtung, Baugrundaufbau und Durchlässigkeit.

• Die Auswirkungen sind abhängig von geologisch-hydrologischen Randbedingungen, wie hydraulischer Durchlässigkeit und Schichtaufbau.

• Die Orientierung von Grundwasserfließrichtung und


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Vortriebsrichtung hat Einfluss auf die Höhe der Aus-wirkung: Die stärkste Beeinflussung tritt bei entgegen gesetzter Orientierung auf, die schwächste bei gleichge-richteter Orientierung.

• In gespannten Grundwasserkörpern ist die Auswirkung höher als in freien Grundwasserkörpern.

• Die Wasserüberlagerung über Tunnelfirste hat Einfluss auf die Auswirkungen eines Vortriebes: Je geringer die Wasserüberlagerung, desto höher die Auswirkung.

• Die abströmende Luftmenge hat Einfluss auf die Aus-wirkung: Je größer die Luftverluste, desto höher die Auswirkung. Ausnahme: bei schlagartigen Luftausblä-sern sinkt Wasserspiegel ab.

• Bereichsweise tritt eine Unterschreitung des Ruhewas-serstandes durch einen dynamischen Rückstrom des aufgestauten Wassers auf. Die entscheidenden Faktoren hierfür sind noch unklar. Offensichtlich tritt er aber hauptsächlich bei gut durchlässigen Böden auf.

• Vermutlich sind die Auswirkungen eines Vortriebes in räumlich begrenzten Grundwasserkörper bei gleicher Entfernung von Pegel und Ortsbrust größer als bei ei-nem sehr ausgedehnten Grundwasserkörper.

Abschließend ist des Weiteren festzuhalten, dass die einge-tretenen Grundwasserschwankungen kurzzeitig und voll-ständig reversibel sind und keine lang anhaltenden Verände-rungen des Grundwasserkörpers bewirkt haben. Aus der Analyse der Grundwasserdaten der Baulose H3-4 und H8 ergeben sich wichtige Anhaltspunkte für die Erstel-lung von Pegelverschlusskonzepten. Für den ungünstigsten Fall von entgegen gesetzter Orientierung von Vortriebsrich-tung und Grundwasserfließrichtung bei Vortrieben in Sand-Kies-Gemischen scheinen folgende Anhaltswerte sinnvoll: • Bei geringer Grundwasserüberlagerung über Firste von

nur wenigen Metern und stark durchlässigen Lockerge-steinen scheint ein temporäres Verschließen der Pegel im Umkreis von ca. 120-140 m sinnvoll.

• Bei Grundwasserüberlagerung von mehr als 10 m wird ein temporärer Pegelverschluss bis zu einem Abstand von Pegel zu Ortsbrust von ca. 30-40 m als ausreichend erachtet.

• Der dauerhafte Pegelverschluss durch Zementinjektion bei einem Abstand von weniger als 15 m hat sich in den Baulosen H3-4 und H8 als angebracht erwiesen. Bei stark durchlässigen Bodenschichten und geringer Was-serüberlagerung über Firste sollte dieser Korridor auf ca. 30-40 m erweitert werden.

7 Schlussbemerkung

Der für die Sicherheit eines Hydroschildvortriebes unbe-dingt nötige Pegelverschluss steht natürlich im Konflikt mit der weiteren Erforschung der Auswirkungen von Hydro-schildvortrieben auf den Grundwasserkörper. Hierfür sind detaillierte Grundwasserstandaufzeichnungen der im Vor-triebsbereich gelegenen Messstellen unerlässlich. Die Da-

tenerfassung mit Hilfe von Datensammlern mit einem kur-zen Aufzeichnungsintervall von 10 min hat sich als geeignet erwiesen. Die Datensammler sollten dabei so lange wie möglich in den Messstellen verbleiben, ohne aber ein Risiko für den sicheren Vortrieb in Kauf zu nehmen. Die Analyse der vorhandenen Grundwasserdaten in den Baulosen H3-4 und H8 hat das Wissen über die Auswirkun-gen von Hydroschildvortrieben auf den Grundwasserkörper zweifelsohne vergrößert, aber auch weitere Fragen aufge-worfen. Um alle offenen Fragen zu klären ist die vorliegen-de Datenbasis der Baulose H3-4 und H8 zu gering bzw. deckt nur einen Teil der geologisch-hydrologischen Rand-bedingungen, in denen Hydroschildvortriebe zum Einsatz kommen, ab. Zudem kann keine Aussage darüber getroffen werden, wie der Tunneldurchmesser die Auswirkungen auf den Grundwasserkörper beeinflusst. Die weitere Erfor-schung dieses Themenkomplexes sollte daher bei zukünfti-gen Hydroschildvortrieben unbedingt vorangetrieben wer-den. Durch das dabei gewonnene Wissen über die Beein-flussung des Grundwasserspiegels wird die Festlegung von sinnvollen Verschlusskorridoren erleichtert.

Literatur

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Auswirkung von Hydroschildvortrieben auf den ... · über diese Membran. Nach Anagnostou & Kovari (1992) baut sich die Druckdifferenz zwischen Suspension und Grundwasser innerhalb