Unter anderem wegen steiler Talflanken, ökologischer Bedenken und des ausgeschlossenen Materialtransports ins Filstal, ist gemäß Planfeststellungsbeschluss kein Tunnelvortrieb aus dem Filstal zulässig. Aus diesem Grund wurde zum Auffahren der beiden Haupttunnel der 950 m lange Zwischenangriff Umpfental vorgesehen, der bei km 44+500 in die Streckentunnel einbindet.
Geologische Randbedingungen
Ausgehend vom nördlichen Portal Aichelberg durchörtert der Tunnel auf einer Länge von ca. 6 km zunächst die Schichten des Braunjura. Nachdem die geologischen Voruntersuchungen in Teilbereichen sehr geringe Gebirgsfestigkeiten von nur etwa 3 MPa (einaxiale Druckfestigkeit) ergaben, wurde in Verbindung mit der bis zu 280 m hohen Überlagerung des Boßler mit druckhaften Verhältnissen bzw. mit plastifizierenden Bereichen am Ausbruchsrand gerechnet. Daher war in den kritischen Bereichen zunächst ein konventioneller Tunnelvortrieb mit »nachgiebigem« Ausbau vorgesehen (Verwendung von Stauchelementen) und eine TVM-Durchfahrt dort ausgeschlossen. Auf der restlichen Tunnelstrecke können dann im Weißjura teilweise Verkarstungen auftreten, vor allem in den höherliegenden Schichten des Oxfordium 2 im Bereich des südlichen Portals Buch. Daher wurde in der Ausschreibung auch für diese Bereiche ein konventioneller Vortrieb in Spritzbetonbauweise (SBW) festgeschrieben.
Im Braunjura ist von Wasserdrücken bis 4 bar (außergewöhnlicher Lastfall 6 bar), im Bereich des Weißjura von bis 6 bar (ungünstigst 9 bar) auszugehen. Um die unteren Grundwasserstockwerke voneinander zu trennen und eine Längsläufigkeit entlang der Tunnelschalen zu verhindern, werden aus beiden Röhren insgesamt sechs Abdichtungsbauwerke (Dammringe) mit radialem Dichtschleier hergestellt.
Beauftragter Entwurf
Die Beauftragung im Jahr 2012 sah zunächst vor, die Streckentunnel vom Portal Aichelberg (km 39+720) bis km 42+100 in maschineller Bauweise mit TVM und einschaligem Ausbau mit Tübbingfertigteilen aufzufahren, während die restlichen etwa 6,4 km bis zum Portal Buch in SBW mit Ortbeton-Innenschale als permanente Sicherung hergestellt werden sollten. Ziel war es, ein Durchfahren der TVM in den kritischen Bereichen (druckhaft, Karst) zu vermeiden. Ausgehend von der Baustelleneinrichtung in der Nähe der Raststätte Gruibingen wurde zu Beginn der Arbeiten zunächst der etwa 945 m lange, temporäre Zwischenangriff (ZA) Umpfental in fallendem Vortrieb mit 73 ‰ Neigung konventionell in SBW aufgefahren, der bei km 44+500 in einem großräumigen Verschneidungsbauwerk in die beiden Streckentunnel einbindet. Nach Fertigstellung der Hauptröhren wird der ZA Umpfental wieder vollständig verfüllt (Abb. F, G).
Das maschinelle Auffahren erfolgt mit einer Maschine, die über unterschiedliche Vortriebsmodi verfügt. So kann der Vortrieb bei ausreichender Standsicherheit der Ortsbrust sowie günstigen hydrologischen Verhältnissen ohne Ortsbruststützung im »open mode« erfolgen. Bei Bedarf kann kurzfristig eine Druckluftstützung zugeschaltet oder auch auf den »closed mode« umgestellt werden, in dem durch einen konditionierten Erdbrei ein Stützdruck erzeugt wird. Das Anfahren erfolgt im Schutz einer etwa 13 m langen Anfahrkaverne mit klassischer Stahl-Rücksteifkonstruktion. Beim Vortrieb stützt sich die einschließlich Nachläufer 120 m lange TVM mit 26 Doppelpressen auf den bereits eingebauten Tübbingringen ab. Nach Abschluss des östlichen Vortriebs wird die Maschine zum Auffahren der Weströhre umgesetzt.
Fortgeschriebener Entwurf (verlängerte TVM-Fahrt)
Ausgehend vom Verschneidungsbauwerk wurden für den östlichen Streckentunnel zunächst 47,70 m des Südvortriebs (in Richtung Ulm) und 731,20 m des Nordvortriebs (in Richtung Stuttgart) in konventioneller Bauweise (SBW) aufgefahren. Um die Grundlage für eine verlängerte, zeit- und kostensparende TVM-Fahrt zu schaffen, fand im Zuge der Bauausführung ein umfangreiches Erkundungsprogramm statt − mit dem Ziel, die bisher als druckhaft eingeschätzten Bereiche genauer aufzuschließen und so eine verbesserte Prognose des zu erwartenden Gebirgsverhaltens zu erhalten. Hierzu kam es einerseits zur Installation umfangreich ausgestatteter Messquerschnitte im Haupttunnel (fallender Nordvortrieb), um bei Annäherung an die Bereiche geringer Gebirgsfestigkeit das tatsächliche Trag- und Verformungsverhalten zu überprüfen und so wichtige Grundlagen für den Tunnelvortrieb nach der Beobachtungsmethode zu gewinnen. Andererseits wurden, ausgehend vom Verschneidungsbauwerk zwischen den späteren Hauptröhren, ein Erkundungsschacht (8,0 m Durchmesser, 49,50 m tief) sowie ein 26 m langer, mit Stauchelementen »weich« ausgebauter Erkundungsstollen aufgefahren (3,0 m Durchmesser), um im Braunjura vorauseilend die Schichten des Aalenium 2 (al2) genau zu erkunden, in denen die geringsten Festigkeiten zu erwarten waren. Zudem erfolgten aus den Erkundungsbauwerken umfangreiche Probennahmen und Laboruntersuchungen.
Mithilfe der Ergebnisse aus diesen umfangreichen Erkundungen ließen sich sowohl das felsmechanische Modell als auch die Kennwerte des al2 in Richtung günstigerer Verhältnisse fortschreiben. Damit gelang der Nachweis, dass die Schildfahrt über km 42+100 hinaus verlängert werden kann − zugleich lagen belastbare Grundlagen für die weitere Planung und Ausführung vor. Im Anschluss galt es zu klären, ob die Baugrundverhältnisse in dem etwa 400 m langen letzten Tunnelabschnitt im Weißjura eine Weiterfahrt bis zum Portal Buch zulassen würden, obwohl eine TVM-Fahrt dort zunächst ausgeschlossen war. Anhand zusätzlicher Untersuchungen (einschließlich zweier, etwa 350 m langer Horizontalbohrungen mit Kerngewinnung, ausgehend vom Voreinschnitt am Filstal) sowie durch geophysikalische Messungen wurde der tatsächliche Verkarstungsgrad im Oxfordium 2 umfassend erkundet. Schließlich kam es auch in diesem Bereich zur Zulassung eines maschinellen Vortriebs, und die TVM erreichte nach etwa anderthalb Jahren die vorbereitete Zielkaverne am Portal Buch. Nach der anschließenden Umsetzung der TVM begann im April 2017 die Herstellung der zweiten, westlichen Tunnelröhre.
Einschaliger Tübbingausbau
Im Schutze des Schildmantels erhalten die Röhren eine einschalige, 45 cm starke Tübbingauskleidung, in den Regelbereichen (Betongüte C 45/55, mittlere Tübbinglänge 2,0 m, Links- / Rechtsring, kleine Topf-Nocke-Verzahnung in der Ringfuge) mit einer 6+1 Ringteilung. Die Abmessung der Kontaktfläche beträgt in den Längsfugen 1,90 ≈ 0,22 m.
Für die Festlegung des Außendurchmessers der Tunnelröhren von 10,94 m sind die zu durchfahrenden Bereiche mit ungünstigen Gebirgsformationen (dort: Betongüte C 50/60 und Erhöhung der Tübbingstärke auf 65 cm) maßgebend. In den Regelbereichen ergibt sich dadurch ein gegenüber den Anforderungen der Bahn vergrößerter Innendurchmesser von 10,04 m. Darüber hinaus wurde aufgrund der höheren Belastungen die Blechdicke am Schildschwanz der TVM auf 90 mm erhöht. Um den in Deutschland erstmalig ausgeführten Wechsel der Tübbingstärke von 45 auf 65 cm im Vortrieb durchzuführen, waren vorab eine Reihe von Fragestellungen zu lösen, unter anderem zur exzentrischen Pressenkraftdurchleitung und konstruktiven Ausbildung der Übergänge. Die Herstellung der Stahlbetonfertigteile erfolgt in einer Feldfabrik (mit Umlaufanlage) im Bereich der Baustelleneinrichtung am Portal Aichelberg. Die Tübbinbewehrung wird dort in automatisierter Fertigung bis zu einem Durchmesser von 14 mm vom Coil gezogen; das kraftschlüssige Verschweißen der Leitern zur Aufnahme von Spaltzugkräften an den Längs- und Ringfugen übernehmen spezielle Leitermaschinen. Nach Fertigstellung der Bewehrungskörbe in hochpräzisen Lehren werden diese zur Betonage in Stahlschalungen eingehoben.
Beim nachträglichen Öffnen der Tübbingröhren zum Auffahren der Querschläge (die Herstellung dieser Verbindungsbauwerke erfolgt in Spritzbetonbauweise) kommen zur Übertragung der Lasten von den unterbrochenen in die benachbarten ungestörten Ringe Sondertübbings mit speziellen großformatigen Schubdübeln zum Einsatz. Um in Ergänzung zu den Berechnungen und dem geodätischen Monitoring genauere Aussagen über die tatsächlichen Beanspruchungen und die inneren Schnittgrößen der Tübbingschale zu erhalten, wurden die hochbelasteten Bereiche neben den späteren Querschlagsöffnungen mit zusätzlichen Sensoren (z. B. Schwingsaitenaufnehmer) ausgestattet und die Messergebnisse ab dem Einbau der Ringe lückenlos aufgezeichnet.
Ringspaltverfüllung
Der verfahrensbedingte, etwa 20 cm starke Ringspalt zwischen Tübbingausbau und Gebirge wird mit einem Ringspaltmörtel gemäß der Richtlinie 853.4005 der DB Netze verfüllt. Die Verfüllung erfolgt kontinuierlich während des TVM-Vorschubs über Verpresslisenen, die im Schildschwanz der Maschine integriert sind. Zur kraftschlüssigen Verfüllung des Ringspalts sowie zur Erzielung einer ausreichenden Bettung kommt am Boßlertunnel erstmals in Deutschland ein 2-Komponenten-Ringspaltmaterial zum Einsatz, bei dem die Mörtelkomponente erst unmittelbar beim Einpressen in die Lisenen mit dem Härter vermischt wird.
Diese vor allem international zunehmend eingesetzte Lösung bietet gerade bei maschinellen Festgesteinsvortrieben Vorteile, da sich ein schnelles Ansteifen der Verfüllung (sehr kurze Gelzeit) zielsicher steuern lässt. Zugleich können dadurch die Aufschwimmneigung reduziert, die Nachläuferlasten besser aufgenommen und die Gefahr einer Umläufigkeit von Ringspaltmaterial zur Ortsbrust wesentlich verringert werden.
Kavernendurchfahrt
Aufgrund der projektbegleitenden Untersuchungen und der nachträglichen Verlängerung der Schildfahrt war zu klären, wie die TVM den rund 800 m langen Tunnelabschnitt durchfährt, der − ausgehend vom Kreuzungsbauwerk der östlichen Hauptröhre mit dem ZA Umpfental − bereits mit Spritzbetonsicherung hergestellt wurde. Ursprünglich war vorgesehen, die Maschine durch diesen mit vergrößertem lichten Durchmesser von etwa 11,70 m aufgefahrenen Bereich durchzuziehen. Letztlich wurde die Planung jedoch so angepasst, dass auch dieser Abschnitt bei kontinuierlicher Verlegung von Tübbingringen mit TVM selbständig durchfahren wird. Im Sinnes eines gleichmäßig definierten Ringspalts, einer präzisen Maschinenführung und der Gewährleistung eines ausreichenden Widerstands in allen Betriebszuständen (z. B. im Hinblick auf die erforderliche Anpresskraft zur Vermeidung des Aufatmens der Dichtprofile), erhielten die Bereiche der Kalotte und Strosse zunächst einen Profilspritzbetonauftrag (lichter Durchmesser ≤ 11,20 m). Zudem wurden im Sohlbereich zwei Führungsschienen (Profil S49) eingebaut und anschließend auf einer Höhe von etwa 4,50 m ein geeigneter Ersatzboden (»Ersatzfels«) eingebracht. An den Querschlägen sowie im Bereich des Kreuzungsbauwerks (vollständige Verfüllung des gesamten Hohlraums vor der Durchfahrt) waren zusätzliche Maßnahmen erforderlich. Im März 2016 wurde in der östlichen Hauptröhre nach etwa 4500 m Vortrieb bei Tübbingring 2227 der Durchschlag in die vorbereitete Kaverne Umpfental erreicht.
Besondere Fragestellungen, Untersuchungen
Die theoretischen und numerischen Analysen wurden durch umfangreiche Messungen und experimentelle Untersuchungen wirkungsvoll ergänzt, um rechnerische Ergebnisse zu verifizieren, aber auch um die erforderlichen Grundlagen für den Vortrieb nach der Beobachtungsmethode zu liefern. Neben den Erkundungen zum Baugrund zählen hierzu beispielsweise die am Materialprüfungsamt der Technischen Universität München durchgeführten Belastungsversuche zur Tragfähigkeit und Teilflächenpressung in den Tübbinglängsfugen, zum Tragverhalten der Dübelverbindungen in den Querschlagbereichen (gemeinsam mit der UniBwM), zu den mechanischen Eigenschaften und zur Dauerhaftigkeit des Ringspaltmaterials sowie zum Brandverhalten der Tunnelschale (Durchführung der Brandversuche an der MFPA Leipzig). Ergänzend zu den üblicherweise durchgeführten Brandversuchen am einzelnen Prüfkörper wurden dabei erstmals zusätzlich die Tübbingfugen untersucht und so neben dem Brand- und Abplatzverhalten auch die sich einstellende Temperatureindringung im Fugenbereich kontinuierlich aufgezeichnet. Die ausgeführten Tübbings erhalten mindestens 1,2 kg/m3 Polypropylen (PP)-Fasern.
Der Boßlertunnel ist geprägt von anspruchsvollen geologischen und hydrologischen Verhältnissen, von innovativen Lösungen und verschiedenen baubetrieblichen und technischen Anpassungen und Optimierungen in der Bauausführung. Erste Zugreisende werden den Tunnel voraussichtlich 2021 befahren.
