Einschalige Tunnelkonstruktion in Deckelbauweise im Erdbebengebiet für die Metro Thessaloniki

26. Christian Veder Kolloquium, Graz, 2011

Vassilakopoulou, Rizos, Vrettos                                            1

    Einschalige Tunnelkonstruktion in
  Deckelbauweise im Erdbebengebiet für
         die Metro Thessaloniki
        G. Vassilakopoulou1), D. Rizos1), C. Vrettos2)
                1)
                     OMETE Consulting Engineers, Athen
                2)
                     Technische Universität Kaiserslautern

1 Einleitung - Projektbeschreibung
Der Bau der U-Bahn Thessaloniki begann im Jahr 2006 und umfasst die
Herstellung von zwei einspurigen Tunnelröhren mit einer Länge von jeweils
9,6 km sowie den Bau von 13 Stationen mit zentralem Bahnsteig. Den Zuschlag
für die Durchführung der Bauarbeiten erhielt eine ARGE bestehend aus AEGEK
SA, Impregilo SpA, Ansaldo Transport SpA, Ansaldo Breda SpA, SELI SpA.
Die Tragwerksplanung wird vom Ingenieurbüro OMETE SA ausgeführt. Die
Stationen, die Verzweigungen und die Kreuzungen werden mittels Schlitzwand-
Deckelbauweise errichtet, Baldauf & Timm (1988). Wegen der engen
Platzverhältnisse musste dabei auf eine Innenschale verzichtet werden, Bär
& Bernardi (1996). Der hohe und teilweise artesisch gespannte Grundwasser-
spiegel sowie die große Tiefe der Stationen (bis zu 35 m unter GOK) erfordern
bei mehreren Stationen den Einbau von Mikropfählen zur Auftriebssicherung.
Die Komplexität des Bauvorhabens resultiert aus den bereichsweise schlechten
Baugrundverhältnissen entlang der Trasse und der unmittelbaren Nähe von
setzungsempfindlichen Gebäuden. Der vorliegende Beitrag befasst sich mit den
Besonderheiten bei der Herstellung der Station Venizelou sowie der Kreuzung
Sintrivani. Die Nachweisführung folgt den Vorgaben der EN 1997-1, den DIN-
Normen sowie den Empfehlungen EAB und EA-Pfähle.

2 Baugrundverhältnisse
Im Rahmen der umfangreichen Baugrunduntersuchungen entlang der Trasse
wurden über 200 Bohrungen und Pressiometer-Tests sowie einige
geophysikalische Erkundungen durchgeführt. Die Pressiometer-Tests dienten
hauptsächlich der genaueren Bestimmung des Elastizitätsmoduls sowie der
Abschätzung des Erdruhedruckbeiwerts des Bodens. Die durchgeführten
Laborversuche umfassten a) Klassifizierungsversuche, b) Versuche zur

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Bestimmung       der    Scherparameter      (Rahmenscher-,    Triaxial-   und
Einaxialversuche) sowie c) Kompressionsversuche. Die Ergebnisse zeigten, dass
ca. 2/3 der Trasse durch steife bis halbfeste bindige Böden sowie verwitterten
Fels verläuft, während in dem restlichen 1/3 weiche Tone und Schluffe sowie
lockere Sande und Kiese anstehen. An einigen Stellen wurden artesisch
gespannte GW-Spiegel in Tiefen größer als 25 m festgestellt. Zur Beobachtung
des GW-Spiegels wurden mehrere Grundwassermessstellen installiert.

3 Station Venizelou
3.1 Geometrie und Baugrund

Die gesamte Länge der Station mit vier Untergeschossen beträgt 76,60 m, die
lichte Breite 19,75 m und die Aushubtiefe 27 m, vgl. Abb. 1. Der Bodenaufbau
gliedert sich in drei Schichten:
- Auffüllungen in einer Mächtigkeit von 11 m,
- Schicht A2a von 4 m Mächtigkeit bestehend aus weichen bis steifen sandigen
Tonen niedriger bis mittlerer Plastizität sowie mitteldichten tonigen, kiesigen
Sanden,
- Schicht A2b ab einer Tiefe von 15 m bestehend aus steifen bis halbfesten
sandigen Tonen mit Einlagerungen von Sanden und Kiesen.
Der GW-Spiegel wurde bei 6,70 m unter GOK festgestellt. Die mittleren
charakteristischen Bodenkennwerte sind in Tabelle 1 zusammengestellt. Darin
sind: IP: Plastizitätszahl, w: Wassergehalt, E: Elastizitätsmodul, ΕS: Steifemodul,
c´: Kohäsion, φ´: Reibungswinkel, cu: undränierte Kohäsion, N: Anzahl der
Schläge beim SPT, k: Durchlässigkeit.

Tab. 1:       Charakteristische Bodenkennwerte

                   IP     w       Ε       ΕS       c´    φ´      cu    N       k
    Schicht
                  [%]    [%]    [MPa]   [MPa]    [kPa]   [°]   [kPa]   [-]   [m/s]
                                  Station Venizelou
    Auffüllung     -      -      7.5     10       5      33     -       7      -
    Α2a           16,2   19,5    60      80      27      28    140     33    5·10-8
    Α2b           15,3   15,1    150     200     100     27    270     >50   1·10-7
                                 Kreuzung Sintrivani
    Auffüllung     -      -      7.5      10      5      33     -       -      -
    Α2a           19,1   16,5    75      100     50      26    140     44    1·10-8
    Α2b           14,6   14,8    110     150     110     28    300     >50   1·10-7
    Α2c           14,8   13,9    300     350     100     30    500     >50   1·10-6

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Abb. 1:   Querschnitt der Station Venizelou

3.2 Schlitzwände, Decken und Bodenplatte

Die Herstellung der Schlitzwände sowie die Nachweise und die Wahl der
Stützflüssigkeit erfolgten nach den Vorgaben der EN 1538 und der DIN 4126.
Zum Aushub der Schlitze wurde eine Hydrofräse eingesetzt. Neben der hohen
Genauigkeit bei großen Tiefen entfällt dabei auch der Einbau von
Fugenkonstruktionen. In der oberflächennahen archäologischen Bodenschicht
wurden anfänglich erhebliche Stützflüssigkeitsverluste beobachtet. Eine
mögliche Gegenmaßnahme mittels des Mixed-in-Place Verfahrens erwies sich
als zu teuer. Die Hohlräume wurden mittels Zementmörtel verfüllt. Nach der
Aushärtung begann die Schlitzwandherstellung.

Die verwendete Hydrofräse erlaubte eine maximale Schlitzwandtiefe von 36 m,
welche jedoch zur Erfüllung der Nachweise gegen Versinken der Wand im
Bauzustand, d.h. bevor der volle Auftrieb auf das System wirkt, nicht
ausreichend war. Zur Erhöhung der äußeren Tragfähigkeit wurde der Fußbereich
der Wand verpresst. Hierzu ist das bei Bohrpfählen gängige Verfahren
angewandt worden, Seitz & Schmidt (2000). Die Soll-Wandstärke wurde mittels
Ultraschallsensoren überprüft.

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Die obere Deckenplatte ist mit den Schlitzwänden biegesteif monolithisch
verbunden. Die Zwischendecken und die Bodenplatte sind mittels im Bereich
von Aussparungen angeordneten Anschlussbewehrungen mit der Schlitzwand
verbunden. Diese Anschlüsse müssen bei den Nachweisen der Stahlbetondecken
sowohl als gelenkig als auch als biegesteif angenommen werden. Die Dicke der
oberen Deckenplatte beträgt 1,20 m, die der Zwischendecken 0,90 m und die der
Bodenplatte 1,50 m.

Die Nachweise für das Gesamtsystem folgen den Vorgaben der EN 1997-1 und
beinhalten a) Nachweis der Abtragung von Vertikalkräften in den Untergrund, b)
Nachweis gegen Aufbruch der Baugrubensohle c) Nachweis gegen
Aufschwimmen, d) Nachweis gegen hydraulischen Grundbruch, e) Nachweis der
zur Auftriebssicherung eingebrachten Mikropfähle. Die Nachweisführung sowie
die Wahl der Teilsicherheitsbeiwerte erfolgten nach DIN 1054:2005 unter
zusätzlicher Berücksichtigung der EAB (2006) und der EA-Pfähle (2007).

3.3 Seismische Lasten

Die Beanspruchung infolge Erdbeben wurde nach den Vorgaben der
Griechischen Erdbebenorm unter Annahme einer unbeweglichen Wand in Form
eines linearen Tiefenprofils der horizontalen Spannungen simuliert mit einem
Maximalwert von 1,50·αg·γi·H an der Geländeoberfläche und einem Minimalwert
von 0,50·αg·γi·H an der Unterkante des Wand, wobei H die Wandhöhe, γi den
Bedeutungsbeiwert und αg den Bemessungswert der Bodenbeschleunigung
bezeichnen. Für den Standort beträgt αg = 0,16 g, wobei g die Erdbeschleunigung
ist. Zusätzlich wurde eine dynamische Berechnung der Gesamtkonstruktion
durchgeführt. Die Bodenreaktion wurde dabei mittels Federn modelliert, welche
die Boden-Bauwerk-Wechselwirkung abbilden, Pré et al. (1998).

3.4 FEM-Berechnungen

Während die Nachweise des Grenzzustandes der Tragfähigkeit nach EN 1997-1
mittels vereinfachter Methoden durchgeführt werden können, bedürfen die
Nachweise des Grenzzustandes der Gebrauchstauglichkeit wegen der
Komplexität des Systems der Anwendung von numerischen Verfahren, z.B. der
Finite-Elemente-Methode. Gleichzeitig können dadurch die Schnittgrößen der
Bauteile an dem Gesamtmodell einer im nicht-linearen Bodenkontinuum
eingebetteten Baukonstruktion ermittelt werden.

Die Berechnung berücksichtigt alle Bauphasen sowie die relative Steifigkeit
Boden/Baukonstruktion. Zur Anwendung kam das Programm PLAXIS 8.5 unter

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Ansatz des Stoffmodells Hardening Soil Small-Strain. Gleichzeit besteht die
Möglichkeit des Nachweises der Standsicherheit am Gesamtsystem unter Ansatz
einer stufenweisen Abminderung der Scherparameter. Weiterhin wird der
hydraulische Gradient sowie die anfallende Wassermenge während der
Aushubphasen und im Endzustand ermittelt.

3.5 Beeinflussung des Grundwasserspiegels

Infolge der großen Abmessungen der Stationen und der Einbindung der
Baugrubenwände in nahezu undurchlässige bindige Bodenschichten ist die
Veränderung des Grundwasserspiegels durch Behinderung der freien
Grundwasserströmung unvermeidlich. Eine erste Abschätzung erfolgte nach der
vereinfachten Formel nach Schneider (1981). Aus Beobachtungspegeln ergab
sich vor Beginn der Bauarbeiten eine mittlere Neigung des GW-Spiegels von
1,2%. Bei senkrechter Anströmung und einer Stationslänge von 80 m errechnet
sich ein GW-Aufstau von 0,5 m, während der gemessene Wert 2,3 m beträgt. Es
wurden auch drei-dimensionale Strömungsberechnungen für geschichteten
Boden durchgeführt. Gegenmaßnahmen in Form von GW-Kommunikations-
anlagen (Düker-Systeme), Glitsch & Spang (2008), werden derzeit diskutiert,
sind jedoch wegen der beengten Platzverhältnisse schwierig zu realisieren.

3.6 Setzungen

Verformungen der Bodenschichten entstehen infolge der Veränderung des GW-
Spiegels sowie der Entnahme von Bodenmaterial aus der Baugrube. Ein
aufwändiges online System zur Setzungsbeobachtung an kritischen Stellen
entlang der Trasse wurde bereits zu Beginn der Arbeiten installiert.
Einflussbereiche wurden in Abhängigkeit von der Vulnerabilität der
benachbarten Gebäude definiert.

Die meisten Gebäude sind auf Streifen- bzw. Einzelfundamenten gegründet. In
der Regel führt ein GW-Anstieg infolge der einhergehenden Entlastung des
Bodens zu Hebungen. Besitzt jedoch das betroffene Fundament einen hohen
Ausnutzungsgrad des Grundbruchwiderstandes, kann in diesem Fall der Anstieg
des GW-Spiegels infolge des nicht-linearen Drucksetzungsverhaltens des Bodens
auch zu Setzungen führen. Tatsächlich wurden während der Aushubarbeiten
Setzungen von bis zu 40 mm beobachtet. Wegen der geringen Setzungs-
differenzen benachbarter Fundamente wurden diese als nicht-kritisch beurteilt.
Eine Ausnahme bildet die denkmalgeschützte Hamza Bey Moschee (Alkazar),
welche nachfolgend behandelt wird.

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3.7 Schutzmaßnahmen an der Hamza Bey Moschee

Die Lage des denkmalgeschützten Gebäudes ist in Abb. 2 dargestellt. Wegen des
schlechten Baugrundes und der nicht optimalen Gründungssituation sind am
Gebäude in den vergangenen 30 Jahren mehrere Schäden entstanden. Zur Stabi-
lisierung der Baukonstruktion wurden in der Vergangenheit diverse Eingriffe
vorgenommen. Beim Bau der Schlitzwände der benachbarten Station wurde ein
Anstieg des GW-Spiegels mit unmittelbar aufgetretenen Setzungen festgestellt.
Berechnungen zeigten, dass infolge des GW-Anstiegs eine nennenswerte
Abminderung der Grundbruchsicherheit einherging. Zur Gründungsverstärkung
wurde an den kritischen Stellen die Herstellung von Unterfangungskörpern
mittels Zementinjektion vorgenommen. Der Ablauf der Injektionsarbeiten wurde
anhand einer Probeinjektion festgelegt und erfolgte zur Vermeidung von
Hebungen in mehreren Stufen. Eine typische Anordnung ist in Abb. 3 dargestellt.

Abb. 2:   Grundriss der Station Venizelou

Abb. 3:   Anordnung der Injektionen

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4 Kreuzung Sintrivani
4.1 Geometrie und Baugrund

Die gesamte Länge der Station, die aus vier Untergeschossen besteht, beträgt
104 m, die lichte Breite 19,5 m und die Aushubtiefe 35 m, vgl. Abb. 4. Der
Bodenaufbau gliedert sich in vier Schichten:
- Auffüllungen in einer Mächtigkeit von 2,7 m,
- Schicht A2a von 10,3 m Mächtigkeit bestehend aus steifen sandigen Tonen mit
Einlagerungen von dichten tonigen Kiesen und Sanden,
- Schicht A2b mit einer Mächtigkeit von 12 m bestehend aus steifen bis
halbfesten sandigen Tonen und verwittertem Tonstein mit Einlagerungen von
dichten Sanden,
- Schicht A2c ab einer Tiefe von 25 m bestehend aus halbfesten kiesigen
sandigen Tonen im Wechsel mit Brekzienschichten sowie dichten tonigen
sandigen Kiesen.

Abb. 4:   Querschnitt der Kreuzung Sintrivani

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Der GW-Spiegel wurde zunächst bei 5 m unter GOK angetroffen. Im Rahmen
von zusätzlichen umfangreichen Untersuchungen (Piezometer, Pumpversuche)
wurde bei 25 m ein weiterer Grundwasserleiter mit artesisch gespanntem
Grundwasser angetroffen, dessen Druckhöhe bis zu GOK reicht. Die mittleren
charakteristischen Bodenkennwerte sind in Tabelle 1 zusammengestellt.

4.2 Schlitzwände, Decken und Bodenplatte

Die Herstellung der Schlitzwände erfolgte analog zu den Ausführungen des
Abschnittes 3. Eine Verpressung der Mantelfläche war nicht erforderlich. Die
Dicke der oberen Deckenplatte und der Zwischendecken beträgt 1,40 m, die der
Bodenplatte 2,0 m. Wegen der hohen Wasserdrücke wird die Bodenplatte mittels
Mikropfähle verankert.

4.3 Maßnahmen gegen das artesische Grundwasser

Infolge des hohen Wasserdrucks war die Standsicherheit der Baugrubensohle
während des Aushubs ohne Gegenmaßnahmen nicht gewährleistet. Hierzu wurde
ab einer Tiefe von 16 m eine Grundwasserabsenkung mittels Entnahmebrunnen
zugelassen. Die Dimensionierung erfolgte anhand von Pumpversuchen bei
gleichzeitigen Verformungsmessungen an dem benachbarten setzungs-
empfindlichen Gebäude der Universitätsbibliothek.

Während der Herstellung der Schlitzwände wurde auf die ursprünglich
vorgeschlagene Grundwasserabsenkung verzichtet, da der Suspensionsdruck zur
Kompensation des Wasserdrucks ausreichend war.

4.4 Bemessung der Mikropfähle

Die Nachweise nach DIN 1054:2005 §11.4 beinhalten: a) Nachweis der
Tragfähigkeit gegen Herausziehen des einzelnen Zugpfahls für den Grenzzustand
GZ 1B sowie b) Nachweis gegen Abheben für den Grenzzustand GZ 1A unter
der Annahme, dass die Zugpfähle zusammen mit dem umgebenden Boden
infolge der Gruppenwirkung einen geschlossenen Bodenkörper bilden, Hettler &
Morgen (2008).

Die Pfahlgruppe besteht aus 468 Mikropfählen in einem Raster von 1,50 m x
2,08 m. Diese Anordnung ergab sich aus der Entwurfsoptimierung unter
Berücksichtigung a) der Ergebnisse von Probebelastungen, die in-situ auf
Aushubniveau durchgeführt worden sind, und b) aus der Materialfestigkeit der

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Mikropfähle. Wegen der einschaligen Tunnelkonstruktion und der
unverschieblichen Lagerungsbedingungen zwischen Bodenplatte und
Schlitzwand (gelenkig/eingespannt) muss dabei die Wechselwirkung zwischen
Pfahlgruppe-Platte-Boden berücksichtigt werden. Aus einer Parametervariation
wurde die Umhüllende der Schnittgrößen ermittelt.

Die Pfahlprobelastungen zur Bestimmung der Grenztragfähigkeit sowie der
Steifigkeit eines Zugpfahls folgten den Vorgaben der EA-Pfähle (2007). Es
wurden Versuche an insgesamt 9 Mikropfählen unterschiedlicher Längen und
Durchmesser durchgeführt. Zur Qualitätssicherung sind an 4% der
Bauwerkspfähle Abnahmeprüfungen ausgeführt worden. Abb. 5 zeigt eine
Aufnahme der Belastungseinrichtung während eines Zugversuchs. In Abb. 6 ist
das Ergebnis eines repräsentativen Zugversuchs dargestellt.

Abb. 5:   Zugversuch an einem Mikropfahl: Versuchsanordnung

Abb. 6:   Ergebnis eines Zugversuchs an einem Mikropfahl

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4.5 Vergleich von Berechnungen mit Messungen

Im Rahmen des umfangreichen Messprogramms wurden in den Schlitzwänden
Inklinometermessungen und an den Nachbargebäuden Setzungsmessungen
durchgeführt. Außerdem wurden die Kräfte in den Hilfsstützkonstruktionen
(Stahlsteifen) gemessen.

Die Messergebnisse werden mit den Ergebnissen von Finite-Elemente-
Berechnungen, die für die Bemessung der Baugruben mit dem Programmsystem
PLAXIS 8.5 durchgeführt worden sind, verglichen. Abb. 7 zeigt die Verteilung
der Setzungen entlang zweier Querschnitte. Bei der Berechnung wurde der
Einfluss der Grundwasserabsenkung (vgl. Abschnitt 4.3) berücksichtigt.
Erkennbar ist die gute Übereinstimmung zwischen gemessenen und
prognostizierten Setzungswerten.

Kraftmessungen an den Hilfskonstruktionen (Stahlsteifen), die zwischen der
Deckenplatte des vierten Untergeschosses und der Aushubsohle angeordnet
waren, ergaben an drei unterschiedlichen Steifen Werte zwischen 920 kN und
2520 kN. Der berechnete Wert betrug 2900 kN.

Abb. 7:   Kreuzung Sintrivani: Berechnete und gemessene Setzungen

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5 Schlussfolgerungen
Die heute zur Verfügung stehenden Bautechniken erlauben die Herstellung tiefer
einschaliger Tunnelkonstruktionen im Grundwasser.

Die in der EN 1997-1 aufgeführten Richtlinien in Kombination mit den
Detailangaben der DIN 1054 und der anderen Empfehlungen (EAB, EA-Pfähle)
decken das gesamte Spektrum der erforderlichen Nachweise ab. Für den
Nachweis der Gebrauchstauglichkeit sind numerische Verfahren unter Ansatz
geeigneter Stoffgesetze für den anstehenden Boden angebracht. Bei Wahl eines
geeigneten Modells für den Boden ist die realitätsnahe Erfassung von
Verformungen möglich.

Die Berechnung von Sohlverankerungssystemen mittels Mikropfählen erfordert
die Berücksichtigung der Wechselwirkung zwischen Boden und Bauwerk.

Die anstehenden Grundwasserverhältnisse spielen für das gesamte Bauvorhaben
eine entscheidende Rolle und müssen bereits in den ersten Planungsphasen mit
Hilfe von geeigneten Messungen erkundet werden.

Wegen des unvermeidbaren Einflusses des Bauvorhabens auf die
Nachbargebäude muss ein geeignetes on-line Messsystem zur Beobachtung von
Verformungen installiert werden.

Literaturverzeichnis
Bär, H.; Bernardi, W. (1996)
     Tiefe Baugrube in Deckelbauweise. Schweizer Ingenieur und Architekt, Nr.
     19, 385-390.

Baldauf, H.; Timm, U. (1988)
     Betonkonstruktionen im Tiefbau. Ernst & Sohn, Berlin.

Glitsch, W.; Spang, C. (2008)
      City-Tunnel Leipzig – Grundwasserkommunikationsanlagen. Taschenbuch
      für den Tunnelbau 2009, 39-92.

Hettler, A.; Morgen, K. (2008)
     Nachweis der Sicherheit gegen Aufschwimmen bei Baugruben mit
     verankerten Betonsohlen. Bautechnik 85, H. 6, 374-380.

12                                           Vassilakopoulou, Rizos, Vrettos

Pré, M.; Zhioua, S.; Pecker, A.; Fukushima, M. (1998)
     Seismic design of a large cut-and-cover reinforced concrete structure in
     Japan. Proc. 11th European Conference on Earthquake Engineering.

Schneider, G. (1981)
    Berechnung der Beeinflussung des Grundwasserstromes                 durch
    Baumaßnahmen. Die Bautechnik, H. 2, 67-69.

Seitz, J.M.; Schmidt, H.-G. (2000)
      Bohrpfähle. Verlag Ernst & Sohn, Berlin.

Deutsche Gesellschaft für Geotechnik (2006)
     Empfehlungen des Arbeitskreises Baugruben EAB, 4. Auflage, Ernst &
     Sohn, Berlin.

Deutsche Gesellschaft für Geotechnik (2007)
     Empfehlungen des Arbeitskreises Pfähle EA-Pfähle, Ernst & Sohn, Berlin.